Примирил элейскую и гераклитовскую точки зрения философ Демокрит Абдерский. Он осуществил синтез двух воззрений. Подобно Гераклиту он считал, что все в мире находится в движении, изменяется и делится на части, но, вслед за элеатами, полагал, что Бытием может существовать только неделимое и неизменное. Ведь Бытие вечно, что следует из самого понятия, а вечное не может быть делимым, так как то, что состоит из частей, существует не всегда (если части вместе, оно существует, если же они разъединятся, его не будет). Каждая вещь состоит из частей, считал Демокрит, но и каждая ее часть, в свою очередь, тоже состоит из частей, и так все делится сколь угодно долго.

Но если деление возможно до бесконечности, если все состоит из частей и делимо, тогда что же можно назвать Бытием? Делимое не вечно, а всё является делимым, значит всё не вечно, но Бытие может быть только вечным, следовательно, его вообще нет. Но Бытия не может не быть, что следует из самого понятия. Поэтому необходимо предположить, что всё делится не до бесконечности, а до некоего определенного предела, за которым деление невозможно. Другими словами, существует некая частица, пусть очень маленькая, но неделимая дальше. Будучи неделимой, она не может уничтожиться, потому что не состоит из частей, на которые может распасться. Она существует вечно, следовательно, и является действительной основой Бытия, его носителем, представляет самое Бытие. Делимое по–гречески звучит как «томoс». Отрицательная частица в греческом – «а». Поэтому неделимое – это «aтомос» или «атом». Данное слово, как видим, впервые употребил Демокрит, и уже в течение двух тысяч лет оно существует во всех западных языках.

Конечно, атом в современном смысле – совсем не атом Демокрита. Сегодня данным термином обозначается слишком маленький элемент вещества, но отнюдь не неделимый: мы знаем, что атом состоит из элементарных частиц и имеет сложную структуру. У Демокрита атом – обязательно неделимое и потому вечное, то, что можно считать подлинным Бытием. Ведь единственное свойство атома – это всегда быть. Даже если бы он захотел не быть, он не смог бы это сделать. Атом (неделимое) обречен на неизменное существование, на Бытие. Демокрит в своем учении о постоянной основе всего сущего – атоме (частице мироздания вечной, неделимой и неизменной) - разделяет воззрение элейских философов.

Однако вслед за Гераклитом, он полагал мир вечно меняющимся. Поскольку, как утверждал Демокрит, атомов бесконечно много, они движутся в пустоте и, сталкиваясь, соединяются, существуют какое–то время вместе, потом, под воздействием новых столкновений, разъединяются и вновь движутся, взаимодействуя друг с другом. Соединение атомов приводит к рождению вещей, разъединение – к их гибели. Все предметы, таким образом, возникают и уничтожаются, а мир представляет вечное движение и изменение. Все вещи совершенно различны, но, вместе с тем они, по большому счету, одно и то же, потому что состоят из одних и тех же атомов. Мировое многообразие сводится к одной основе – атомам, движущимся в пустоте. Как за разнообразием мироздания у Фалеса стоит единое начало – вода, а у Анаксимена – воздух, у Пифагора – число, так у Демокрита – атомы. Почему вещи отличаются друг от друга, если сделаны из одного материала? Потому что атомы, из которых они образованы, соединены в каждой вещи по–разному и в различных пропорциях.

Любой предмет – только временная комбинация неделимых частиц и существует только до тех пор, пока они вместе. Вещи либо существуют, либо нет, и поэтому не являются действительным Бытием, другими словами, их, по крупному счету, нет, а существует только то, из чего они состоят – набор неизменных атомов. Точно так же и свойства вещей существуют временно: нет вещи, нет и ее свойств. Таким образом, они тоже, по большому счету, не существуют, поскольку являются лишь порождениями атомных комбинаций. Всё, что мы видим вокруг себя, говорит Демокрит, на самом деле не является настоящей реальностью. За неподлинным миром, который нас окружает, располагается действительный, но невидимый нами мир атомов и пустоты. Он и есть истинно существующее, а всё, что мы воспринимаем чувственно – всего лишь его порождение, и потому эфемерность, фантом, мираж, иллюзия. Нет ни гор, ни небесных тел, ни воды, ни земли, ни воздуха, нет растений и животных, говорит абдерский мыслитель, нет ни холодного, ни теплого, ни сладкого, ни соленого, ни белого, ни зеленого, нет вообще ничего, а нам только кажется, что всё это есть. Единственно и действительно существуют только атомы и пустота.

Для иллюстрации атомистической картины мира Демокрита приведем аналогию. Всем хорошо известен один из видов изобразительного искусства - мозаика: из набора цветных стеклышек или фишек можно составить один узор или орнамент или другой, разнообразные комбинации. Сделаем из них какую–нибудь картинку, потом сломаем ее, построим другую и так далее. Существуют ли реально все эти рисунки? Нет, не существуют, они – только возможность. А что же существует реально? Только данный набор мозаичных стеклышек и больше ничего! Так и мироздание по Демокриту представляет собой не вещи и их свойства, но только сумму атомов, которая и есть единственная реальность.

«Ахиллес и черепаха»

Если Ахиллес (как вы помните, это герой поэмы Гомера) захочет когда-нибудь догнать черепаху, то сделать этого он не сможет. Допустим, что Ахиллес, находящийся в пункте А, решил догнать черепаху, находящуюся в этот момент в пункте В. Когда он достигнет пункта В, черепаха успеет отползти в пункт С, а когда он прибежит туда, она уже будет в пункте D, и так далее до бесконечности - Ахиллес никогда не догонит черепаху.

Против движения

дихотомия (деление пополам) -если мы выйдем из пункта А и захотим за конечный промежуток времени прийти в пункт В, то не сможем этого сделать. Действительно, сначала нам нужно будет пройти половину этого пути, потом - половину оставшегося отрезка, потом - половину этой половины и так далее до бесконечности. Каждый раз мы" будем все ближе, но никогда не достигнем цели.

Что дает человеку философия? Зенон ответил: «Презрение к смерти».

По мнению древнегреческого историка Плутарха, Зенон «доказал на деле, что великому мужу страшно лишь то, что постыдно, а боли боятся только дети, женщины и мужчины с женской душонкой». Сам Зенон говорил, что «легче окунуть в воду мех, наполненный воздухом, чем заставить силой хорошего человека совершить что- нибудь вопреки его воле».

«Есть только атомы и пустота, все остальное – во мнении»

Демокрит

(ок. 460 – ок. 370 до н.э.)

Демокрит, как и Левкипп, полагал, что в мире существуют два начала -

пустота и атомы.

атомы обладают выпуклостями и крючкообразными зацепками, так что при столкновении они могут сцепляться и образовывать устойчивые структуры (тела)

ГРЕЧЕСКАЯ КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ

со второй половины V в. до конца IV в. до н.э

Основной метод, выработанный и применяемый Сократом, получил название "майевтика".

философия - это искусство умирать.

Философия познает вечные истины, а мы в нашей жизни познаем лишь текучие временные вещи, следовательно, постигая вечные истины, мы всегда стремимся от чувственного мира, т.е. к смерти. Поэтому Сократ перед смертью и говорит своим ученикам: “Если я всю жизнь стремился к смерти, неужели вы считаете, что теперь я от этого откажусь

Сократ (469-399 до н.э.)

Сократ

Познай самого себя

«Я знаю, что я ничего не знаю» - другие не знают даже того, что они ничего не знают..

Ты умираешь безвинно”, - говорила ему жена, когда его обрекли на смерть. Он возразил: “А ты хотела, чтобы заслуженно?”

Когда Аполлодор предложил ему прекрасный плащ, чтобы умереть, он отказался: “Неужели мой собственный плащ годится, чтобы в нем жить, и не годится, чтобы в нем умереть?”

Протагор заключил со своим учеником Еватлом договор, по которому Еватл обязан уплатить учителю гонарар, как только выиграет первый судебный процесс. Ученик не торопился в суд. Учитель пригрозил обратиться в суд с просьбой взыскать гонорар. это длилось довольно долго, терпение учителя иссякло, и он подал на своего ученика в суд. Своё требование Протагор обосновал так:

– Каким бы ни было решение суда, Еватл должен будет заплатить мне. Он либо выиграет этот свой судебный процесс, либо проиграет. Если выиграет, то заплатит в силу нашего договора. Если проиграет, то решение суда будет в мою пользу, и заплатить нужно будет согласно этому решению. Судя по всему, Еватл был способным учеником, поскольку он ответил Протагору:

– Действительно, я либо выиграю судебный процесс, либо проиграю его. Если выиграю, решение суда освободит меня от обязанности платить. Если решение суда будет не в мою пользу, значит, я проиграл свой первый процесс и не заплачу в силу нашего договора.

Классическая античная философия. Сократ и софисты

В чем состоит позитивный вклад софистов в развитие философии и науки?

Они – первые агностики

Софисты первыми научинают осмыслять границы понятий

Софисты доказывают относительность всякого знания

Софисты доказывают необходимость учета человеческой субъективности в научном или философском поиске

Они развивают формальную логику

Их критический настрой помогает преодолеть традиционные формы мышления

Софисты способствуют развитию юридической и правовой мысли

Они ставят вопрос о соотношении всеобщего и единичного в знании

Квантовые вычисления со времен Демокрита / Скотт Ааронсон; Пер. с англ. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.

Я предпочел бы найти одно причинное объяснение, нежели стать царем персов.

ДЕМОКРИТ

И все же почему Демокрит? Начнем с самого начала: кто такой Демокрит? Какой-то древнегреческий чувак. Он родился где-то около 450 г. до н. э. в том самом скучном провинциальном греческом городке под названием Абдера, о котором афиняне говорили, что сам воздух в нем порождает глупость. Согласно моему источнику, а именно Википедии, он был учеником Левкиппа. Его называют досократиком, хотя на самом деле он был современником Сократа. Это дает некоторое представление о том, какое ему придается значение: «Ну да, досократики… может, стоит упомянуть о них на первой лекции курса». Кстати, существует легенда о том, что Демокрит однажды посетил Афины специально для того, чтобы встретиться с Сократом, но при встрече с ним попросту не осмелился назвать свое имя.

До нас не дошло почти ничего из трудов Демокрита. Кое-что оставалось еще до Средних веков включительно, но к настоящему времени оказалось утрачено. Сведения о нем мы получаем в основном от других философов (к примеру, от Аристотеля), которые упоминают Демокрита, чтобы покритиковать его.

Что же они критикуют? Демокрит считал, что вся Вселенная состоит из атомов в пустоте, которые непрерывно движутся по вполне определенным и доступным для понимания законам. Эти атомы могут сталкиваться друг с другом и отскакивать при столкновении, а могут слипаться в более крупные объекты. Они могут иметь разный размер, вес и форму — может быть, некоторые из них представляют собой сферы, некоторые — цилиндры, а некоторые — еще что-нибудь. С другой стороны, Демокрит утверждает, что свойства вещей, такие как цвет и вкус, не определяются свойствами атомов, а возникают из взаимодействия многих атомов. Ибо если бы атомы, образующие океаны, были «синими по сути своей", то как они могли бы образовывать белую пену на верхушках волн?

Не забывайте, это примерно 400 г. до н. э. До сих пор все очень неплохо.

Почему Демокрит считает, что все вещи сделаны из атомов? Он приводит некоторые аргументы, один из которых можно сформулировать своими словами так: предположим, у нас есть яблоко, и предположим, что это яблоко сделано не из атомов, а из чего-то непрерывного и твердого. Предположим далее, что мы берем нож и разрезаем яблоко на две части. Ясно, что точки на одной стороне попадут на первый кусок, а точки на другой стороне — на второй, но как насчет точек, расположенных в точности на границе? Они что, исчезнут? Или удвоятся? А симметрия нарушится? Ни одна из перечисленных возможностей не кажется особенно элегантной.

Кстати говоря, ожесточенные споры между атомистами и антиатомистами идут и сегодня. Обсуждается вопрос о том, действительно ли сами пространство и время состоят из неделимых атомов на планковских масштабах в 10−33 см или 10−43 с. Опять же у физиков очень мало экспериментальных данных, на которые можно опереться в этом вопросе, и они, по существу, находятся в том же положении, в каком был Демокрит 2400 лет назад. Если хотите знать мнение на этот счет невежественного и не слишком информированного обывателя, то я бы поставил на атомистов. И аргументы, которые я бы при этом использовал, не полностью отличаются от тех, что использовал Демокрит: они опять же основываются в основном на неустранимых математических трудностях с континуумом.

Один из немногочисленных отрывков Демокрита, все же дошедших до нас, представляет собой диалог между Разумом и Чувствами. Разум начинает разговор: «Только по договоренности между людьми существует сладость, по договоренности — горечь, по договоренности — цвет, на самом деле существуют только атомы и пустота». По мне, одна эта строка уже ставит Демокрита в один ряд с Платоном, Аристотелем и любым другим древним философом, которого вы рискнете назвать: было бы трудно сформулировать более точно в одном предложении все научное мировоззрение, которое появится через 2000 лет! Но диалог на этом не заканчивается. Чувства отвечают: «Глупый Разум! Неужели ты стремишься ниспровергнуть нас, хотя именно от нас получаешь все данные?»

Я впервые встретил этот диалог в какой-то книге Шрёдингера. Ага, Шрёдингер! — вот видите, мы продвигаемся потихоньку к «квантовым вычислениям», заявленным в названии книги. Не беспокойтесь, мы обязательно до них доберемся.

Но почему Шрёдингера должен был заинтересовать этот диалог? Ну вообще-то его интересовало множество вещей. Он не был склонен к интеллектуальной моногамии (да и ни к какой другой моногамии тоже). Но одна из возможных причин его интереса — тот факт, что он был одним из создателей квантовой механики — самого удивительного, на мой взгляд, открытия XX века (за ней с небольшим отрывом следует теория относительности) — и теории, которая добавила совершенно новый аспект в тысячелетний спор между разумом и чувствами, хотя и не сумела разрешить его.

Вот о чем идет речь: для любой изолированной области Вселенной, которую мы хотим рассмотреть, квантовая механика описывает эволюцию во времени состояния этой области, которое мы представляем как линейную комбинацию — суперпозицию — всех возможных конфигураций элементарных частиц в этой области. Таким образом, это весьма экстравагантная картина реальности, в которой каждая конкретная частица находится не здесь и не там, а в своего рода взвешенной сумме всех мест, в которых она могла бы находиться. При этом теория работает. Как все мы знаем, она очень неплохо описывает «атомы и пустоту», о которых говорил Демокрит.

Есть у нее и свои сложности. Не слишком хорошо, скажем, обстоит дело с достоверными данными, поставляемыми чувствами. В чем проблема? Ну, если отнестись к квантовой механике всерьез, окажется, что и вы сами должны, по идее, находиться в суперпозиции разных мест одновременно. В конце концов, вы тоже сделаны из элементарных частиц, правда? Представьте, в частности, что вы рассматриваете некую частицу, которая располагается в суперпозиции двух положений — A и B. В этом случае самое наивное и буквальное прочтение квантовой механики должно было бы предсказать, что наша Вселенная должна расщепиться на две «ветви»: в одной частица находится в A и вы ее видите в A, а в другой — частица находится в B и вы, соответственно, видите ее в B! И что вы думаете: неужели вы действительно расщепляетесь на несколько копий самого себя всякий раз, когда смотрите на что-то? Я лично не чувствую ничего подобного!

Вас может заинтересовать, как такая безумная теория может быть полезна физикам на самом что ни на есть практическом уровне. Как вообще она может делать предсказания, если утверждает, по существу, что все, что могло бы произойти, действительно происходит? Ну, я еще не сказал вам, что существует отдельное правило для происходящего в тот момент, когда вы производите измерение, — внешнее правило, «пристегнутое», так сказать, к самим уравнениям дополнительно. Это правило, в сущности, гласит, что ваш взгляд на частицу вынуждает ее принять решение о том, где именно она хочет находиться, и что частица делает свой выбор вероятностно. Далее, правило говорит вам, как конкретно следует считать эти вероятности. И, разумеется, расчет прекрасно и убедительно подтверждается.

Но вот проблема: Вселенная живет себе потихоньку, занимаясь своими делами, и как же нам узнать, когда следует применять это правило измерений, а когда нет? И вообще, что считать «измерением»? Трудно представить себе, чтобы законы физики говорили: «То-то и то-то происходит до тех пор, пока кто-нибудь не посмотрит, а затем происходит что-то совершенно иное!» Предполагается, что законы природы универсальны. Предполагается, что они описывают человеческие существа точно так же, как сверхновые и квазары: просто как громадные и сложные совокупности частиц, взаимодействующих по простым правилам.

Таким образом, с точки зрения физики все обстояло бы намного проще и понятнее, если бы мы могли вообще избавиться от всей этой мороки с «измерениями»! Тогда мы могли бы сказать, перефразируя Демокрита на сегодняшний лад: не существует ничего, кроме атомов и пустоты, развивающихся в квантовой суперпозиции.

Но постойте, если мы не суем свой нос с измерениями и ничто не нарушает первозданной красоты квантовой механики, то как «мы» (что бы это местоимение ни означало) вообще смогли получить какие-то данные о том, что квантовая механика верно отражает действительность? Почему мы все дружно поверили в эту теорию, которой, кажется, очень мешает сам факт нашего существования?
Именно так выглядит современный вариант демокритовой дилеммы, о котором физики и философы спорят уже почти сотню лет. Признаюсь откровенно: в этой книге мы с вами ее не разрешим.

И еще одно, чем я не собираюсь заниматься в этой книге: я не стану навязывать вам какую-то свою любимую «интерпретацию» квантовой механики. Вы вольны придерживаться той интерпретации, верить которой велит вам ваша совесть. (Каких взглядов придерживаюсь я сам? Ну, я согласен с каждой интерпретацией в той мере, в какой она утверждает существование проблемы, и не согласен с ней же в той мере, в какой она утверждает, что сумела эту проблему разрешить!)

Видите ли, точно так же, как религии можно разделить на монотеистические и политеистические, интерпретации квантовой механики можно классифицировать по тому, с какой позиции они подходят к вопросу «о помещении себя самого в когерентную суперпозицию». С одной стороны, у нас имеются интерпретации, которые с большим энтузиазмом заметают этот вопрос под ковер: это копенгагенская интерпретация и ее внуки, байесовская и эпистемологическая интерпретации. В них присутствует, разумеется, и квантовая система, и измерительное устройство, но обязательно есть линия между ними. Конечно, линия может сдвигаться и в разных экспериментах занимать разные позиции, но в каждом эксперименте она непременно имеется. В принципе вы даже можете мысленно поместить остальных людей на квантовую сторону этой линии, но сами вы всегда остаетесь на классической стороне. Почему? Потому что квантовое состояние — это всего лишь представление ваших знаний, а вы, по определению, существо классическое.

Но что, если вам захочется применить квантовую механику ко всей Вселенной целиком, включая и себя самого? В интерпретациях эпистемологического толка ответ заключается просто в том, что подобные вопросы задавать не принято! Кстати говоря, именно в этом заключался любимый философский ход Бора, его убойный аргумент: «Такой вопрос задавать нельзя!»

На другой стороне у нас интерпретации, которые все же пытаются различными способами разобраться с проблемой помещения самого себя в суперпозицию: многомировые интерпретации, механика Бома и т. п.

Упрямым решателям задач, таким как мы, все это может казаться всего лишь великим спором о словах — почему нас это должно волновать? И я готов с этим согласиться: если бы это действительно был спор о словах, то разницы не было бы никакой, и нам не стоило бы об этом беспокоиться! Но как указал в конце 1970-х гг. Дэвид Дойч, мы в состоянии придумать эксперименты, которые позволили бы отличить интерпретации первого и второго типов. Простейшим экспериментом такого рода было бы поставить себя в состояние когерентной суперпозиции и посмотреть, что получится! Или, если это слишком опасно, поставить в положение когерентной суперпозиции кого-нибудь другого. Идея в том, что если бы человеческие существа регулярно попадали в положение суперпозиции, то вопрос о проведении линии, отделяющей «классических наблюдателей" от остальной Вселенной, потерял бы смысл.

Но хорошо, человеческий мозг — это водянистая, рыхлая, неаккуратная штука, и мы, возможно, не смогли бы поддерживать его в состоянии когерентной суперпозиции на протяжении 500 миллионов лет. Чем можно заменить этот эксперимент? Ну, мы могли бы поместить компьютер в состояние суперпозиции. Чем сложнее компьютер — чем сильнее он напоминает мозг и нас самих, тем дальше мы сможем отодвинуть ту самую «линию» между квантовым и классическим. Сами видите, от этого до идеи квантовых вычислений остался всего один крохотный шажок.

Я хотел бы извлечь из всего этого более общий урок. Какой смысл затевать разговор о философских вопросах? Дело в том, что в дальнейшем мы собираемся довольно активно заниматься этим — в смысле, пустой философской болтовней. На этот счет существует стандартный ответ: философия, мол, занимается интеллектуальной расчисткой, это уборщики, которые приходят вслед за физиками и пытаются навести порядок, разобрав оставленный ими хлам. Согласно этой концепции, философы сидят в своих креслах и ждут, чтобы в физике или вообще в науке появилось что-нибудь интересное — квантовая механика, скажем, или неравенства Белла, или теорема Гёделя; после этого они (приведем метафору с обратным знаком) слетаются на новинку, как стервятники, и объявляют: ах, вот что это означает на самом деле.

Ну, на первый взгляд все это кажется каким-то скучным. Но, когда привыкаешь к подобной работе, мне кажется, обнаруживаешь, что это… все равно скучно!

Лично меня интересует в первую очередь результат — поиск решений нетривиальных, хорошо определенных и еще нерешенных задач. Какова же здесь роль философии? Мне бы хотелось предложить для философии более интересную и возвышенную роль, чем роль интеллектуального дворника: философия может быть разведчиком. Она может быть исследователем-первопроходцем — наносить на карту интеллектуальный ландшафт, который позже будет обживать физика. Далеко не все области естественных наук были заранее обследованы философией, но некоторые были. А в недавней истории, мне кажется, квантовые вычисления могут послужить эталонным примером. Замечательно, конечно, говорить людям: «Заткнитесь и считайте», но вопрос в том, что именно им следует считать. По крайней мере, в квантовых вычислениях (моя специальность) то, что мы любим считать, — емкость квантовых каналов, вероятности ошибок в квантовых алгоритмах — это такие вещи, которые никому в голову не пришло бы считать, если бы не философия.

Уже из мы видим, насколько атомы в представлении древних греков отличны от того, что видела в атомах наука относительно недавних времен и что вкладывает в понятие атома или элементарной частицы наука нашего времени. Для науки XVIII в. атомы-это одинаковые, однородные, точечные массы, движущиеся по законам механики. Современные понятия «химические свойства», «реакционная способность» не могли существовать в системе греческого атомизма. Теория строения или структуры вещества, на которой основывается современная физическая химия, не имеет ничего общего с античным пониманием формы, а представление о «химической связи» навсегда осталось бы непонятным греческому ученому. Итак, атомы - формы, вечно движущиеся в бесконечной пустоте, - это общая основа всего античного атомизма.
Творцами первой атомистической теории в древней Греции считают Левкиппа (начало V в. до н. з.) и Демокрита (около 460 - 370 до и. э.) - уроженца фракийского порта Абдеры. Демокрит развил это учение и распространил на все области знаний. Для многих древнегреческих философов Демокрит был образцом ученого, теоретика, исследователя, который предпочитал бескорыстное искание истины всем жизненным благам. Его жизнь известна нам из многочисленных рассказов и легенд. В одной из этих легенд говорится, что философ ослепил себя, чтобы его мысленное внимание, созерцающее движения невидимых атомов, не отвлекалось обманчивыми видениями внешнего мира. Демокрит очень много путешествовал, приобретал знания по разнообразным предметам, проводил исследования в геометрии, медицине, астрономии и грамматике. Свое сочинение «Малый Диакосмос» он завершил в 420 г. до н. э. Здесь излагались основы атомистического учения в связи с теориями происхождения мира и Земли. Демокрит принял три основных постулата (атомы, пустота и движение) как начала, которые объясняли физические явления. Согласно Демокриту, нельзя уже дальше спрашивать, почему это так, а не иначе. Мы должны принять эти начала, как в геометрии принимаем некоторые недоказуемые аксиомы, чтобы иметь возможность затем выводить из них многочисленные теоремы.
«Начало вселенной - атомы и пустота… - так передает нам учение Демокрита один из поздних греческих писателей. - И ничто не возникает из небытия, не разрушается в небытие. И атомы бесчисленны по разнообразию величии и по множеству; носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля»1. Римский писатель Цицерон рассказывает, что демокритовы атомы, т. е. «неделимые вследствие твердости тела, носятся в бесконечном пустом пространстве, в котором вовсе нет ни верха, ни низа, ни середины, ни конца, ни края, причем атомы в пустом пространстве носятся таким образом, что вследствие столкновений они сцепляются между собой, из чего возникает все то, что есть и что ощущается. Это движение атомов должно мыслить не имеющим начала, но существующим вечно».
Это учение должно быть в конечном счете дать схему, с помощью которой легко объяснять все, что происходит в мире. Но для этого следовало исключить из движения атомов всякую неопределенность и случайность. Иначе нельзя будет вывести (объяснить) то или иное явление из движений атомов. Демокрит считал, что хотя движение атомов хаотично, однако в этом хаосе есть только одна причина изменения движения атома - столкновение его с другим атомом. И если бы можно было проследить путь атома и знать все движения, которые получаются в результате таких столкновений, тогда легко предсказать все, что произойдет в мире. Поэтому в мире не может быть ничего случайного, и мы можем проследить необходимую обусловленность любого самого «невероятного» происшествия. Так, «когда некий житель города Абдеры погиб от того, что пролетавший в это время орел уронил ему на голову черепаху, Демокрит отрицал случайность этого события. Он говорил, что было необходимым именно в этот момент выйти из дома обреченному человеку, именно в такую-то минуту орлу почувствовать голод и отправиться за добычей, было необходимо, далее, что солнце, клонящееся к закату, осветило лысину прохожего и отблеск ее попал в глаза пролетавшему орлу, который принял лысину за камень и бросил черепаху, чтобы разбить ее панцирь».
Эта система объясняла любое событие, которое могло произойти в мире. Поэтому Демокрит говорит, что он «предпочел бы найти одно причинное объяснение, нежели приобрести себе персидский престол». Слепой рок, не преследующий никаких своих целей, по и не знающий ничего о человеческих целях, управляет миром. Именно это всегда и смущало позднейших мыслителей, и мы увидим дальше, как обходят этот вывод другие атомисты.
Подобно тому как видимые случайности есть результат и проявление невидимой необходимости, многообразие чувственных впечатлений может быть, согласно Демокриту, объяснено на основе учения о сочетании атомов. Дело в том, что атом сам по себе не тепел и не холоден, он бесцветен и безвкусен. Вкус, запах, звук зависят от формы и расположения атомов. Они
являются результатом взаимодействия атомов, исходящих из вещи, и атомов человеческого тела. Ученик Аристотеля Теофраст рассказывает: «Демокрит, приписывая форму каждому вкусу, считает сладкий вкус круглым и имеющим большую величину, кислый же - имеющим большую форму, шероховатым, многоугольным и не круглым. Острый вкус - соответственно его названию- острый по форме составляющих его атомов, угловатый, согнутый, узкий и некруглый. Едкий вкус - круглый, тонкий, угловатый и кривой. Соленый вкус - угловатый, большой, согнутый и равнобедренный. Горький же - круглый, гладкий, имеющий кривизну, малый по величине. Жирный же - узкий, круглый и малый».
Именно особенности формы атомов в различных сочетаниях приводят к многообразию качеств. Маленькие, круглые, легкоподвижные атомы огня всюду проникают, все разделяют, разрывают (и тем самым причиняют жгучую боль человеческому телу). Большие, тяжелые и угловатые атомы земли малоподвижны, плотны и легко слипаются в один комок. Атомы вообще могут быть кривыми, якореобразными, крючковатыми, вогнутыми, выпуклыми и т. д.
«Помимо своей формы, атомы, согласно Демокриту, различаются еще положением, или поворотом, как например, буквы Е и Ш (буква Ш получается из Е поворотом на 90°), и порядком или взаиморасположением, как, например, АВ и ВА. Фигура, положение и порядок - три основных источника разнообразной формы предметов, которые могут получаться при сочетании атомов в сложные структуры реальных тел. Сравнение атомов с буквами, а образования множества реальных тел из атомов со слаганием слов и текстов (например, трагедия или комедия) из небольшого числа неделимых букв - это очень точное, глубокое и понятное сравнение; оно часто приводится атомистами для пояснения их основной идеи. Лучше всего говорит об этом в своей поэме «О природе вещей» римский атомист Лукреций:
Так и в наших стихах, постоянно, как можешь заметить, Множество слов состоит из множества букв однородных,
Но и стихи, и слова, как ты непременно признаешь, Разнятся между собой и по смыслу, и также по звуку.
Видишь, как буквы сильны лишь одним изменением порядка.
Что же до первоначал, то они еще больше имеют Средств, чтоб из них возникали различные вещи.
Так с помощью атомов-букв Демокрит пытается читать книгу природы. Если атомов много и они расположены плотно, возникает тяжелое и плотное тело; редко расположенные атомы создают легкое и мягкое тело. Разряжение атомов воспринимается как потепление, наоборот, сгущение - как охлаждение.
Демокрит принимает четыре основных простых цвета: белый, черный, красный и зеленый, сочетанием которых можно получить любой другой цвет и оттенок. Поскольку каждому простому цвету соответствуют однородные атомы, анализ цветового состава тела мог бы быть использован как способ анализа атомистического состава тела - наподобие нашего спектрального анализа.
Однажды образовавшиеся тела, например Солнце, Луна, Земля, могут существовать довольно долгое время и действовать друг на друга. Так, от сочетания солнечной теплоты, земной влаги и ила началось, если верить Демокриту, брожение и гниение, в результате которого образовались первые растения, а затем также и живые организмы.
Имеется несколько свидетельств, говорящих о том, что Демокрит думал объяснить с помощью атомистической гипотезы не только жизнь, но также и душу, и ум, и даже самих богов, которые мыслились им как наиболее общие, наиболее стойкие и наиболее прекрасные скопления атомов.
Так возникает первая картина мира на основе атомистического учения, картина вечно подвижной узорчатой ткани событий и явлений, складывающейся и причудливо изменяющейся в бесконечном кружении, сплетении, сочетании и разъединении абсолютно твердых и неизменных, геометрически правильных телец. Картина, напоминающая бесконечные узоры снежинок, мелькание пылинок в солнечном луче, как об этом рассказывает Лукреций:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный луч проникает В наши жилища и мрак прорезает своими лучами, Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света; Будто бы в вечной борьбе они бьются в сражениях и битвах, В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь. Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся. Так о великих вещах помогают составить понятье Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
Впрочем, это уже нечто большее, чем только поэтический образ. Эта картина по своему физическому механизму представляет собой, как мы знаем, картину броуновского движения, и с помощью очень похожего опыта доказывали реальность атомов в XIX в. Поразительно, что сущность опыта была ясна уже Лукрецию:
Знай же: идет от начала всеобщее это блужденье, Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из мельчайшего их сочетаиья. Близкие, как бы сказать, по силам и началам первичным, Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться, Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее, Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете, Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит.
Хотя у самого Демокрита мы не находим такого понимания, однако картину движения пылинок в солнечном луче он также приводит.
Вы помните, что для Демокрита очень важен один момент в понимании атома, а именно: атом есть тельце с идеальной геометрической формой.

Современная наука могла бы появиться пару тысяч лет назад, если бы идеи Демокрита получили тогда развитие. Самым удивительным его прозрением было учение об атомах — мельчайших неделимых частицах, которые свободно движутся в пустоте и из которых складывается все сущее. «Нет ничего, кроме атомов и пустоты», — утверждал великий грек. Все остальное — от ощущений вроде вкуса и цвета до нематериальных сущностей вроде души и богов — он объявлял лишь видимостью. Эти представления сильно расходились с общепринятыми, так что венцом античной физики стало развитое Аристотелем учение о четырех стихиях-элементах — земле, воде, воздухе и огне, смешение которых дает все вещества. Механика такого процесса была не более ясна, чем соединение Демокритовых атомов, но в этом случае люди по крайней мере имели дело с элементами, видимыми или осязаемыми.

Четыре стихии

Стихии Аристотеля примерно соответствуют твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества, а также плазменному, понятому лишь в XX веке. И все же эта теория была научно бесплодной — из нее не вытекали подтверждаемые гипотезы, пока в ее основе не разглядели атомы.

«Воздух» (газ). В поэме «О природе вещей» Лукреций Кар, древнеримский последователь Демокрита, убедительно показал, что воздух должен состоять из крошечных, невидимых глазом частиц. Но невидимость плохо сочетается со здравым смыслом. И лишь в XIX веке англичанин Джон Дальтон добавил новые аргументы в пользу существования атомов.

В 1801 году он обнаружил, что смесь газов в сосуде создает давление, равное сумме давлений каждого газа, взятого в том же объеме отдельно. Значит, разные газы совместно используют один и тот же объем, как и должно быть в случае атомов, летающих в пустоте. Также Дальтон отмечал, что вещества химически соединяются друг с другом лишь в определенных пропорциях, как будто образуют молекулы из определенного числа атомов каждого типа.

Сторонников идеи атомов и молекул сильно прибавилось, когда Рудольф Клаузиус связал теплоту с их беспорядочным движением, а Джеймс Максвелл рассчитал скорости частиц газа. Затем изучением хаотического движения атомов в пустоте занялся Людвиг Больцман, который создал для этого мощный математический аппарат — статистическую физику.

Но несмотря на успехи теории, невидимость атомов рождала сомнения в их реальности. Больцману эти сомнения стоили жизни. Из-за постоянных нападок на его кинетическую теорию газов у него развилась мания преследования, и в 1906 году, когда оппонентов уже почти не осталось, он покончил с собой.

Нажмите для увеличения

«Вода» (жидкость). Подвижность жидкости Демокрит объяснял пустотами между атомами. Как писал Лукреций, частицы воды расступаются перед носом рыбы, и для этого им нужно место. Сдвинувшись, они толкают следующие частицы, пока не дойдет до тех, что сходятся за хвостом рыбы. Но раз в воде есть пустоты, то она должна сжиматься. Между тем в отличие от газа жидкость и под давлением сохраняет постоянный объем. Это противоречило теории Демокрита. Несжимаемость воды примирил с атомной теорией голландец Ян Ван-дер-Ваальс в 1873 году, придумав особую силу, действующую между атомами и молекула ми. По Ван-дер-Ваальсу, они взаимодействуют подобно людям: вдали не замечают друг друга, рядом чувствуют притяжение, но при излишне тесном сближении резко отталкиваются. Поэтому молекулы газа летают свободно, а в жидкости держатся на фиксированном расстоянии, сопротивляясь как растяжению, так и особенно сжатию.

Окончательно атомная теория строения жидкостей и газов была подтверждена в 1909 году, когда французский физик Жан Батист Перрен экспериментально проверил разработанную Альбертом Эйнштейном в 1905 году теорию броуновского движения — беспорядочного перемещения взвешенных в жидкости крошечных частиц, например пыльцы, вызванного хаотическими ударами по ним молекул. В экспериментах Перрена впервые наблюдались пусть не сами атомы и молекулы, но непосредственные результаты их воздействия. Больцмана это уже не спасло, а Ван-дер-Ваальс на следующий год получил Нобелевскую премию.

«Земля» (кристалл). Силы Ван-дер-Ваальса, мешая атомам сблизиться, сохраняют между ними пустоту, которую считал столь важной Демокрит. Но эти силы не мешают движению атомов. Как же тогда твердые тела сохраняют не только объем, но и форму? Всего век назад природа твердого состояния оставалась загадкой. Конечно, уже тогда умели измерять твердость и упругость, а в конце XIX века русский кристаллограф Евграф Федоров чисто математически выявил все 230 (!) возможных видов симметрии кристаллических решеток. Визуализировать их позволил возникший в 1913 году рентгеноструктурный анализ. Но все это не объясняло, почему атомы выстраиваются в жестком геометрическом порядке и сохраняют его.

Полимеры — одномерные кристаллы Регулярное расположение групп атомов характерно не только для кристаллов. Некоторые молекулы способны соединяться в длинные цепочки — полимеры. Такие макромолекулы можно считать одномерными кристаллами. Но если трехмерные кристаллы жесткие, то полимерные макромолекулы, подобно веревкам, свободно изгибаются, сопротивляясь лишь растяжению. Часто они сворачиваются, образуя многоуровневые запутанные спирали. В зависимости от состава такие молекулы могут с разной силой связываться между собой в точках соприкосновения. Этим определяется разнообразие физических свойств полимеров. Например, полиэтилен легко плавится, поскольку его молекулы сцепляются в основном слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Более сильные дипольные связи сообщают эластичность полиэстеру. Кевлар же по прочности даст фору многим кристаллическим веществам, поскольку его молекулы скрепляются довольно прочными водородными связями. Но полимеры как класс веществ важны прежде всего потому, что они лежат в основе всех биологических процессов.

Ответ дала квантовая механика. Оказалось, что в микромире частицы вблизи друг от друга не могут двигаться произвольным образом. Энергия их взаимодействия может принимать только фиксированные значения, которым отвечают определенные положения. Каждый слой атомов в кристалле жестко определяет расположение атомов следующего слоя. Чтобы сместить атом, входящий в кристаллическую решетку, переданная ему энергия должна превосходить некоторую пороговую величину, необходимую для «квантового скачка». Более слабые воздействия не влияют на частицы. Поэтому твердость тел — прямое следствие дискретного, квантового взаимодействия микрочастиц. Для перехода от твердого состояния к жидкому надо расшатать решетку, чтобы атомы повыскакивали из своих фиксированных позиций. На это требуется энергия. А для превращения в газ нужно еще добавить энергии на преодоление сил Ван-дер-Ваальса.

«Огонь» (плазма). Свойства неделимых атомов у Демокрита зависели от формы. Особую роль он отводил сферическим атомам огня, которые считал способными к самодвижению. За счет малых размеров они проникают в мельчайшие пустоты между другими атомами, передавая им свое движение, в котором Демокрит видел источник тепла, жизни и ума. И здесь неожиданно обнаруживается много параллелей с современной наукой, правда, если под «атомами огня» понимать заряженные частицы — электроны и ионы. Ведь как раз благодаря ионам передаются нервные импульсы в живых организмах.

Атомы газа расщепляются на ионы и электроны под действием высокой температуры, жесткого излучения или высокого напряжения. Такую смесь заряженных частиц американский химик Ирвинг Ленгмюр в 1928 году назвал плазмой. Она хорошо проводит электричество, благодаря чему разряд молнии пробивает воздух. Частицы плазмы не только сталкиваются попарно, как в газах, но и взаимодействуют электрически — притягиваются и отталкиваются на расстоянии. Из-за этого большие группы частиц могут двигаться согласованно и по плазме в определенных условиях идут волны. Сполохи полярных сияний вызваны как раз такими «коллективными эффектами» в потоках солнечной плазмы, захваченных магнитным полем Земли.

Взаимодействие с магнитным полем — еще одно важное свойство плазмы. Именно оно отвечает за колебания активности Солнца, которое целиком состоит из плазмы. Чтобы на Земле получать звездную энергию термоядерного синтеза, надо нагреть плазму до сотен миллионов градусов, удерживая ее магнитными полями. Но из-за сложного поведения плазмы эта задача пока до конца не решена.

Овеществленные оксюмороны

Газ, жидкость, кристалл — три агрегатных состояния вещества, которые кажутся взаимоисключающими. Однако сегодня открыто множество переходных состояний, своего рода физико-химических оксюморонов, совмещающих качества разных «стихий».

Твердая жидкость (стекло). В витражах средневековых соборов нижние части стекол обычно немного толще, чем верхние. Часто это объясняют тем, что стекло не является кристаллическим твердым веществом, а больше похоже на очень вязкую жидкость, и за сотни лет оно успевает немного стечь. Первая половина этого объяснения правильная. В стекле нет упорядоченной структуры, как в кристаллах. Когда стекло застывает, у него быстро растет вязкость: молекулам становится все труднее двигаться, и наконец они замирают, образуя как бы мгновенный снимок жидкости.

В 1927 году австралийский профессор Томас Парнелл затеял один из самых продолжительных в истории экспериментов. Заполнив воронку битумом, он поставил ее на штативе под прозрачный колпак и стал ждать. При жизни профессора из воронки упало всего две капли, а к 2000 году — восемь капель со средним интервалом в девять лет. Вязкость битума в 200 миллиардов раз выше, чем у воды, и в повседневной жизни столь вязкая жидкость воспринимается как твердое вещество.

Так что же, стекла в соборах текут? Да, но гораздо медленнее, чем нужно для объяснения эффекта утолщения. Не замечено и деформаций в стеклянных линзах старинных телескопов. При комнатной температуре вязкость стекла в миллиард раз выше, чем у битума, так что капля не образуется за все время жизни Вселенной. Утолщения же объясняются, скорее всего, тем, что раньше не умели отливать стекла строго постоянной толщины, а витражисты ставили куски толстым краем вниз для надежности.

Жидкие кристаллы. Кристалл — эталон упорядоченной структуры, где каждый атом знает свое место в строю. А в жидкости молекулы движутся хаотически. Но между этими крайностями есть промежуточная форма организации вещества, в которой еще сохраняется подвижность, но уже есть порядок. Молекулы жидких кристаллов имеют вытянутую форму и за счет попарного взаимодействия стараются выстроиться параллельно друг другу, отчего с разных направлений вещество смотрится по-разному.

Наноструктурное вещество Свойства вещества сильно меняются вблизи границ, например у поверхности кристалла. Если добиться, чтобы у границ находилась большая часть атомов, то вещество может повести себя необычно. Например, ярчайшие светодиоды делаются на основе гетероструктур с чередующимися слоями толщиной порой всего в несколько атомов. Уникальные квантовые свойства демонстрирует графен, одноатомный слой атомов углерода, объединенных в шестиугольные ячейки, — фактически это двумерный кристалл. Скручиваясь, слои графена образуют углеродные нанотрубки — самый знаменитый тип наноструктур. Графены и нанотрубки дают микроэлектронике надежду, что рост производительности компьютеров продлится еще пару десятков лет (см. статью «Глубина плоскости», «ВС» № 12, 2010 год). Тем временем в лабораториях создаются все новые наноструктуры. Некоторые из них уже способны к автономному движению и в будущем станут элементами молекулярных наномашин. В создании такого «умного» наноструктурного вещества нет ничего принципиально невозможного — ведь так устроена живая материя.

У одного из первооткрывателей жидких кристаллов, немецкого физика Отто Лемана, были довольно странные взгляды на природу обычных кристаллов. Он не верил в существование у них жесткой решетки и полагал, что некоторые кристаллы могут быть совсем мягкими, практически жидкими. В 1888 году пражский ботаник Фридрих Рейнитцер прислал Леману пару необычных химических соединений, у которых в жидкой фазе в определенных условиях начинала появляться структура. Леман счел это окончательным подтверждением своей теории. Но физическое сообщество, наоборот, все более убеждалось, что у кристаллов есть жесткая решетка, и отвергало сам факт существования структурированных жидкостей. Независимые подтверждения их реальности появились лишь в 1908 году. А затем жидкие кристаллы были на полвека забыты. Вспомнили о них лишь в 1960-х, когда им неожиданно нашлось множество применений. Одно из главных связано со способностью их молекул поворачиваться под действием электрического поля, заслоняя или пропуская поток света. Благодаря ей жидкие кристаллы стали основой плоских экранов.

Сверхкритические флюиды. Чтобы преодолеть рубеж, отделяющий жидкость от газа, нужно заплатить «энергетический налог», называемый теплотой испарения. Но эту границу можно и обойти. Скажем, у воды при температуре и давлении выше так называемой критической точки (374 °C, 218 атмосфер) исчезает разница между жидким и газообразным состояниями. Говорят, что вода становится сверхкритическим флюидом. Меняя температуру и давление в обход этой критической точки, можно плавно, без фазовых переходов, превратить сверхкритический флюид и в воду, и в пар.

В 2008 году в экваториальной части подводного Срединно-Атлантического хребта немецкие океанологи обнаружили гидротермальные источники с температурой 407 °C и даже 464 °C. Давление на глубине около 3000 м превышает 300 атмосфер. Это значит, что из источников бьет не вода, не пар, а сверхкритический водяной флюид, выносящий из недр массу минеральных веществ. Достаточно сказать, что значение кислотности (pH) в этих потоках достигает 2,8, как в уксусе, против 8,0 в морской воде.

Сверхкритические флюиды — отличные растворители. Это их свойство используется, например, для получения кофе без кофеина. Только вместо воды тут применяется углекислота, у которой критическая температура составляет 31 °C, а давление — 73 атмосферы. За счет своих газоподобных свойств сверхкритическая углекислота проникает глубоко внутрь кофейных зерен, а проявляя жидкостные свойства, растворяет и выносит до 99% содержащегося в них кофеина.

Твердый газ (аэрогель). Чтобы жидкость сохраняла форму, ее можно охладить до затвердевания. Но есть и другой способ придания жидкостям формы. Например, гель для душа, хотя на ощупь кажется жидким, не растекается по ладони в отличие от шампуня. Гель — это жидкость с каркасом из полимерных молекул. Он образует трехмерную сеть, которая, как губка, удерживает жидкость за счет ее поверхностного натяжения. Каркас же сохраняет форму благодаря собственной жесткости, и в целом субстанция находится в промежуточном между жидким и твердым состояниями.

Механически жидкость из геля не извлечь без разрушения каркаса. Но если, подняв температуру и давление, превратить жидкость в сверхкритический флюид, его можно осторожно «выдуть». Каркас при этом останется нетронутым, а после окончательного высыхания его плотность еще и увеличивается. Получается суперпористый твердый материал, называемый аэрогелем. Впервые он был создан в 1931 году путем выпаривания метанола из кварцевого каркаса. Сегодня кварцевый аэрогель держит рекорд по минимальной плотности твердого материала — 1,9 кг/м3, что всего в полтора раза плотнее воздуха. При этом он довольно прочный (может выдержать стократный собственный вес) и обладает исключительно низкой теплопроводностью, что позволяет применять его как утеплитель в авиакосмической технике.

Ловушка из аэрогеля использовалась на американской межпланетной станции «Стардаст» для сбора образцов космической пыли. Никакой другой материал не мог бы затормозить метеороиды, не расплавив их.

Матрешка мироздания

На рубеже XIX-XX столетий стало ясно, что атомы не самый фундаментальный слой реальности.

Вырожденный газ. Лучи света пересекаются, не создавая взаимных помех. Газы смешиваются в сосуде, и каждый занимает весь объем. Но что мешает твердым телам, как призракам, проходить сквозь друг друга? Почему атомы отскакивают друг от друга? Демокрит объяснял это их твердостью. Ван-дер-Ваальс — силами отталкивания. Квантовая механика утверждает, что все дело в электронах.

Уравнение, которое их описывает, говорит, что если два электрона окажутся в одном и том же состоянии (с одинаковыми положениями и скоростями), то они перестанут существовать. Но это нарушило бы принципы сохранения энергии и заряда, так что электроны не могут иметь одинаковое квантовое состояние. Этот принцип известен как запрет Паули, по имени физика, который сформулировал его в 1924 году. Именно этот запрет мешает атомам занимать одно и то же место в пространстве, и он же распределяет электроны вокруг атомного ядра по оболочкам с разными энергиями.

А еще запрет Паули убережет Солнце от превращения в черную дыру. Силы гравитации на Солнце уравновешены давлением его плазмы, разогретой термоядерными реакциями. Но рано или поздно тяготение одержит верх и станет сжимать вещество, вдавливая друг в друга электронные оболочки и отрывая электроны от атомов. В нарастающей тесноте единственный способ для электронов соблюсти запрет Паули — занимать состояния со все более высокой энергией и скоростью движения. Получается: чем плотнее вещество, тем быстрее движутся электроны и сильнее их давление, причем независимо от температуры. Это состояние электронного газа называют вырожденным. Когда ядра атомов сблизятся в 100 раз теснее, чем в обычном кристалле, давление вырожденных электронов вновь уравновесит гравитацию звезды и сжатие прекратится. Такие сверхплотные звезды назвали белыми карликами за высокую температуру и небольшие размеры (в 100 раз меньше Солнца).

Живая материя Квантовые законы позволяют атомам формировать устойчивые структуры — молекулы. Некоторые из них могут катализировать химические реакции. И есть молекулы, которые прямо или косвенно катализируют синтез собственных копий. Одна из таких молекул — ДНК. Автокаталитический процесс, которым она управляет, невероятно сложен. Важнейшая его часть: формирование замкнутых оболочек — клеток. В них протекают биохимические реакции, а специальные механизмы обеспечивают обмен веществами с окружающей средой через клеточную мембрану и взаимодействие с другими клетками. Множество наномашин работает внутри клетки. Они состоят из органических полимеров — белков, собранных по хранящимся в ДНК кодам. Каскад реакций, которым они управляют, приводит в итоге к созданию новых клеток с копиями ДНК. Живое вещество — самая сложная форма организации материи во Вселенной. Но все говорит о том, что механизмы, лежащие в основе жизни, можно понять и воспроизвести искусственно.

Ядерная материя. Когда в 1911 году Эрнест Резерфорд в экспериментах по рассеиванию альфа-частиц открыл атомное ядро, оказалось, что атом — это сущая пустота. На его электронные оболочки приходится всего 0,03% массы, а в ядре, которое на их фоне выглядит, как булавочная головка на футбольном поле, сосредоточено 99,97%. Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, — взаимодействие между которыми отдаленно напоминает взаимодействие частиц в жидкости под действием сил Ван-дер-Ваальса, так что ядерная материя похожа на сверхплотную жидкость. У нее есть поверхностное натяжение, с ядра могут испаряться нуклоны, по нему могут прокатываться волны. Высокие волны могут привести к разделению ядра на две капли, то есть к радиоактивному распаду. А если сильно столкнуть две ядерные капли, преодолев их электрическое отталкивание, они сольются — это и есть ядерный синтез.

Как и электроны, протоны и нейтроны подчиняются запрету Паули и поэтому не сливаются друг с другом. Когда гибнет звезда в несколько раз массивнее Солнца, давление в ее недрах возрастает настолько, что вырожденные электроны разгоняются почти до скорости света. Поскольку дальше ускоряться невозможно, давление перестает расти и сжатие продолжается. Тогда электроны начинают вступать в реакцию с протонами, превращая их в нейтроны, которым нужно меньше места. Подчиняясь принципу Паули, они тоже вырождаются, то есть приобретают в условиях высокой плотности огромные скорости. Будучи в тысячи раз массивнее электронов, вырожденные нейтроны способны выдержать гораздо большее давление. Возникает новое равновесие с гравитацией. Космический объект, в котором оно достигнуто, называют нейтронной звездой. Она представляет собой огромное (диаметром около 20 км) атомное ядро, состоящее из одних нейтронов, причем его плотность даже выше ядерной. Визитная карточка из такой нейтронной материи весила бы как плотина Саяно-Шушенской ГЭС.

Нетрудно догадаться, что и у вырожденных нейтронов способность противостоять гравитационному сжатию ограниченна, но вот ясности, что будет, если оно пересилит, пока нет. Обычно говорят, что произойдет неудержимый коллапс в черную дыру. Но, возможно, есть и еще один уровень сопротивления, который может встретить гравитация в глубине нейтронной звезды.

Кварковая материя. Протоны с нейтронами нельзя признать Демокритовыми атомами. По современным представлениям, каждый из них состоит из трех кварков, которые связаны глюонным (от английского glue — «клей») полем. Это поле сильно отличается от электрического. У него шесть зарядов (три цвета и три антицвета), а сила взаимодействия с расстоянием не убывает, а растет. На больших расстояниях кварки притягиваются так, что одной силой своей «любви» создают себе из вакуума новых партнеров. Поэтому кварки нельзя выделить и изучить по отдельности, разве что на краткое мгновение.

На Большом адронном коллайдере ядра атомов сталкивают с околосветовой скоростью. Удар так силен, что ядерное вещество разогревается до 10 триллионов градусов. Нуклоны буквально разбиваются на части. Получается плотная смесь кварков и снующих между ними глюонов — кварк-глюонная плазма, которая заполняла Вселенную спустя микросекунду после Большого взрыва. Как и ядерная материя, кварк-глюонная плазма чем-то напоминает жидкость, поскольку кварки тоже подчиняются запрету Паули: сильно сблизившись, они отталкиваются.

Если сжать большую массу вещества с силой, с которой соударяются ядра в коллайдере, но при этом избежать нагрева до триллионов градусов, то может возникнуть кварковая материя. Возможно, она образуется в глубине самых массивных нейтронных звезд, которые тогда следовало бы называть кварковыми. Теоретически холодное кварковое вещество, возникнув, будет устойчивым и не распадется после снятия давления. То есть при столкновениях нейтронных звезд кварковая материя может расплескаться по космосу триллионами «страпелек» — капелек странной материи. Если страпелька столкнется с Землей, то прошьет ее насквозь, породив необычного вида сейсмический сигнал. Пара подобных сигналов в сейсмозаписях 1993 года даже была обнаружена, но уверенности в их интерпретации нет.

Кварки, возможно, тоже не последний уровень реальности. Есть теории, по которым они состоят из преонов. Но о них даже теоретики рассуждают очень осторожно.