Внутренние и внешние взаимодействия (связь и столкновение)

По нашей классификации внутренние и внешние противоречия являются простыми и в чистом, неопосредованном виде действуют лишь в неорганической природе. Их физико-химическими аналогами или эффектами являются внутренние и внешние взаимодействия. Рассмотрим подробнее эти взаимодействия. Ниже приводится таблица, иллюстрирующая различие между ними:

 

примеры внутреннего взаимодействия	примеры внешнего взаимодействия
Связи внутри твердого тела	столкновение бильярдных шаров, выветривание горных пород
Связи внутри кристалла	взаимодействие кристалла со средой, в результате которого он растет или разрушается
связи внутри молекул, атомов	столкновение молекул, в результате которого происходит броуновское движение, тепловые процессы, диффузия газов
химическая связь	химические реакции,(разрушающие или образующие химическую связь)
внутриядерная связь	ядерные реакции распада или синтеза
связи внутри стабильной элементарной частицы	столкновение элементарных частиц, в результате которого рождается или аннигилирует пара частица-античастица
испускание и поглощение квантов без воздействия извне (виртуальный обмен частицами внутри атома, ядра, нуклона)	испускание или поглощение квантов в результате внешнего воздействия (столкновения частиц)

 

Из таблицы видно, что различие между внутренними и внешними взаимодействиями являются достаточно определенным. Оно состоит в следующем.

Внутреннее взаимодействие осуществляется внутри целостного образования (почему оно и называется внутренним); оно направлено на сохранение этого образования; стороны внутреннего взаимодействия находятся в отношении взаимозависимости и взаимообусловленности. Чем прочнее и целостнее данное материальное образование, тем в большей зависимости друг от друга находятся составляющие его части. Процессы, из которых складывается внутреннее взаимодействие, не нуждаются ни в каком внешнем источнике. Все изменения, которые имеют место во внутреннем взаимодействии, взаимно гасят, нейтрализуют друг друга и в целом объект, основывающийся на внутреннем взаимодействии, остается без изменения.

Для внешнего взаимодействия характерно другое. Его стороны относительно независимы друг от друга и встречаются случайным образом в форме столкновения. Внешнее взаимодействие направлено не на сохранение, а на изменение взаимодействующих объектов. Если внутреннее взаимодействие характеризует связь тел и частиц, их совместное, согласованное и потому упорядоченное движение (например, колебание атомных остовов в узлах кристаллической решетки твердого тела), то внешнее взаимодействие является источником хаотического, беспорядочного движения тел относительно друг друга (пример: броуновское движение молекул).

Внутреннее взаимодействие — это всегда какая-либо связь (в смысле связи частей целого).

Внешнее взаимодействие — это всегда какое-либо столкновение.

Различие между внутренними и внешними взаимодействиями столь же абсолютно, сколь и относительно. К сожалению, некоторые наши философы распространили представление об относительности различия внутренних и внешних противоречий и на соотношение внутренних и внешних взаимодействий. "Деление взаимодействий на внутренние и внешние, — пишет один из них, — носит относительный характер. Внешние взаимодействия для одной системы являются внутренними для другой, если первая есть часть второй и наоборот"[65]. Получается знакомая картина: бесплодное различение "систем отсчета" вместо действительного исследования природы тех и других взаимодействий.

Релятивизация различия внутренних и внешних взаимодействий логически ведет к субъективизации этого различия. Взаимодействие считается внутренним или внешним в зависимости от того, в какой системе отсчета рассматривает его исследователь.

На самом деле различие между внутренними и внешними взаимодействиями объективно и не зависит от прихоти исследователя; внутреннее взаимодействие в любых отношениях является внутренним, а внешнее — внешним. Конкретный пример: между протоном и электроном могут быть два совершенно различных типа взаимодействия. В одном случае взаимодействие и электроном носит характер устойчивой связи между ними — это внутреннее взаимодействие; оно обеспечивает существование атома водорода, являющегося системой, объединяющей эти частицы. В другом случае взаимодействие носит характер столкновения, в результате которого изменяется состояние той и другой частицы (например, из свободных частиц они превращаются в связанные) — это внешнее взаимодействие. Считать одно и то же взаимодействие внутренним и внешним так же невозможно, как невозможно отождествить эти два типа взаимодействия.

На различие и даже противоположность внутренних и внешних взаимодействий указывает также то, что наряду с ними существуют промежуточные взаимодействия. Внутренние и внешние взаимодействия как крайние типы плавно переходят друг в друга, образуя промежуточные формы.

Примерами промежуточных взаимодействий являются взаимодействия, которые обусловливают метастабильные, квазистационарные и возмущенные состояния микрофизических систем. Благодаря этим взаимодействиям существуют резонансные частицы, про которые сами физики говорят, что они носят промежуточный характер. Благодаря им происходит также самопроизвольный распад неустойчивых ядер атомов. О радиоактивном распаде часто говорят как о внутреннем, имманентно присущем неустойчивому ядру атома процессе. При этом имеют в виду пространственно внутреннее. Однако, не все пространственно внутреннее является внутренним по существу. Последнее — это то, что определяет целостность объекта, устойчивую связь частей целого. Радиоактивный распад — ­порождение промежуточного взаимодействия, соединяющего в ослабленном виде черты внутреннего и внешнего взаимодействия. Он, с одной стороны, внутренне присущ ядру атома и в какой-то мере упорядочен (осуществляется по экспоненциальному закону), а, с другой, присущ неустойчивому ядру и подвержен влиянию внешних условий.

Между внутренними и внешними взаимодействиями нет непроходимой грани также потому, что сами они в реальной ситуации не являются чисто внутренними или чисто внешними.

Внутреннее взаимодействие может вызывать эффекты, которые присущи внешнему взаимодействию. Приведем такой пример. Между Луной и 3емлей имеет место внутреннее взаимодействие, которое обусловливает их устойчивую связь друг с другом (между этими космическими телами действуют так называемые консервативные силы). Из наук о 3емле известно, однако, что лунное притяжение, которое является одной из сторон этого взаимодействия, оказывает деформирующее влияние на земную поверхность, вызывает лунные приливы и отливы и даже сдвиги земной коры. Эти явления имеют признаки внешнего взаимодействия, так как они, порождая трения на земной поверхности, разрушают ее отдельные элементы и тем самым изменяют первоначальный облик 3емли.

Также и внешнее взаимодействие может вызывать эффекты, имеющие характер внутреннего взаимодействия. Проиллюстрируем это на примере аннигиляции электрон-позитронной пары. Физиками установлено, что в процессе столкновения электрона и позитрона до того момента, когда эти частицы аннигилируют, они на очень короткое время образуют своеобразный электронный атом ­позитроний, — т.е. между электроном и позитроном возникает кратковременная связь, имеющая признаки внутреннего взаимодействия.

Теперь о внутренних и внешних взаимодействиях как обратимых и необратимых процессах.

Идея деления всех физических процессов на обратимые и необратимые имеет свою историю. Ученые давно вынашивали ее. Макс Планк даже предсказывал ей большое будущее[66].

Обратимые и необратимые процессы, о которых пишут и говорят физики, суть не что иное как научно-физическая модель внутренних и внешних взаимодействий. Эта модель приблизительная и тем не менее она дает определенные ориентиры в познании внутренних и внешних взаимодействий.

Итак, рассмотрим, почему процессы, происходящие во внутренних взаимодействиях, носят обратимый характер.

Выше мы говорили, что внутренние взаимодействия обусловливают устойчивую связь элементов системы. Отсутствие в системе внешних взаимодействий, т.е. столкновений элементов, является залогом ее стабильности, неизменности, целостности. Сама по себе устойчивая физическая система измениться не может, а тем более разрушиться. Это запрещает закон сохранения энергии. Если она изменяется, то это значит, что она подвергается воздействиям извне (в пространственном отношении они могут идти изнутри, от изменяющихся элементов системы. Ведь всякая система ограничена не только извне, но и изнутри. В пространственном отношении она может подвергаться воздействиям как на внешней своей границе, так и на внутренней). Система, основанная на связях, сама по себе измениться не может.

Возникает вопрос, как примирить факт неизменности, устойчивости системы в целом с фактом тех изменений элементов, которые вызываются внутренними взаимодействиями. Ведь всякие взаимодействия, в том числе и внутренние, производят какие-то изменения. Возьмем любую систему и мы найдем в ней те или иные изменения, движения элементов:

в Солнечной системе планеты движутся вокруг Солнца и то удаляются от него, то приближаются к нему;

в кристаллах и молекулах атомы колеблются вокруг некоторого положения равновесия, причем эти колебания не прекращаются даже при абсолютном нуле;

электроны движутся вокруг ядер в молекулах и кристаллах, выполняя при этом роль связующих, цементирующих частиц;

в атомах и ядрах атомов имеет место непрерывное излучение и поглощение виртуальных частиц — фотонов и пи-мезонов,­ осуществляющих связь электронов с ядрами и нуклонов с нуклонами.

Факты устойчивости системы в целом и многочисленных движений внутри ее можно примирить, лишь предположив, что каждому прямому изменению во внутреннем взаимодействии соответствует обратное изменение, которое как бы гасит, нейтрализует его и в целом система представляется как устойчивое, целостное образование. Это предположение подтверждается свидетельствами ученых-физиков и данными об орбитальных движениях в Солнечной системе, о колебаниях атомов и движении электронов в молекулах и кристаллах, об излучении и поглощении виртуальных частиц в атомах и ядрах.

Если говорить о данных, относящихся к взаимодействиям внутри устойчивых систем, то о них кратко можно сказать следующее. К настоящему времени установлено, что все физико-химические взаимодействия сводятся к четырем фундаментальным или элементарным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Эти взаимодействия осуществляются посредством переноса промежуточных (виртуальных) частиц. Во внутренних взаимодействиях, утверждают физики, имеет место непрерывный обмен виртуальными частицами, благодаря которому и существует устойчивая связь взаимодействующих частиц, тел.

В качестве примера внутреннего взаимодействия рассмотрим внутриядерное взаимодействие нуклонов. Носителями этого взаимодействия являются пи-мезоны. Непрерывно появляясь и исчезая, они переходят от одного нуклона к другому и обратно. Получается, что на некоторое время один нуклон становится более легким, а другой, пока он не возвратит первому нуклону полученный им взаимообразно пи-мезон более тяжелым, чем обыкновенный (невзаимодействующий) нуклон. Такое изменение массы нуклонов допускается соотношением неопределенностей (D р × D х ³ h или D Е × D t ³ h). В течение времени 4,7×10^‑24 сек. неопределенность в энергии нуклона равна собственной энергии пи-мезона, а неопределенность в массе нуклона — массе пи-мезона. За это время нуклон может отдать и получить обратно пи-мезон. При этом закон сохранения энергии не нарушается. На обратимость процессов, происходящих во внутриатомных и химических связях, указывает уравнение Шредингера. В этом уравнении направление времени не выделено.

"Появление уравнения Шредингера в 1926 году, — пишет Р. Фейнман, — явилось великим историческим моментом, отметившим рождение квантово-механического описания материи. Многие годы внутренняя атомная структура вещества была великой тайной. Никто не был в состоянии понять, что скрепляет вещество, отчего существует химическая связь, и, особенно, как атомам удается быть устойчивыми. Хотя Бор и смог дать описание внутреннего движения электрона в атоме водорода, которое, казалось бы, объяснило наблюдаемый спектр лучей, испускаемых этим атомом, но причина, отчего электроны движутся именно так, оставалась тайной. Шредингер, открыв истинные уравнения движения электронов в масштабах атома, снабдил нас теорией, которая позволила рассчитать атомные явления количественно, точно и подробно. В принципе его уравнение способно объяснить все атомные явления, кроме тех, которые связаны с магнетизмом и теорией относительности. Оно объясняет уровни энергии атома и все, что касается химической связи"[67].

Интересен такой факт. В отсутствие измерения, т.е. пока отсутствуют возмущения, связанные с измерением, обратимое уравнение Шредингера играет роль достоверного закона природы, в то время как в процессе измерения оно уже не применимо и его место занимают необратимые статистические механизмы. О чем это говорит? Это говорит о том, что обратимое уравнение Шредингера справедливо только для внутренних взаимодействий, в отсутствие возмущающих внешних воздействий, а необратимые статистические механизмы характерны для внешних взаимодействий.

В наблюдениях и экспериментах, связанных с исследованием микрообъектов, нельзя непосредственно обнаружить обратимый процесс, поскольку он является замкнутым (этакой вещью в себе), т.е. не выделяет энергии во вне. Обнаружить обратимый процесс можно только разомкнув его, т.е. частично или полностью разрушив, а это уже внешнее взаимодействие, необратимый процесс.

Обратимый, замкнутый процесс можно наблюдать лишь в том случае, если средства эмпирического наблюдения не оказывают существенного влияния на нормальный ход обратимого процесса, если они в энергетическом отношении неизмеримо слабее его. В качестве примера можно привести астрономические наблюдения орбитальных движений планет в Солнечной системе, которые осуществляются благодаря электромагнитным взаимодействиям. Последние не оказывают сколько-нибудь возмущающего влияния на гравитационное взаимодействие планет с Солнцем. Напротив, в квантовой механике и физике элементарных частиц наблюдения микропроцессов, осуществляемые с помощью электромагнитных волн различной длины и частоты, существенно влияют на них. Вследствие этого проблема взаимодействия прибора с микрообъектом занимает важное место в исследованиях физиков-элементарщиков.

Итак, прямые и обратные изменения во внутреннем взаимодействии в целом составляют обратимый процесс. Последний есть взаимопереход прямых и обратных изменений.

Как видим, это понятие обратимого процесса отличается от принятого в физике. Под обратимым процессом ученые обычно имеют в виду процесс, который можно обратить, т.е. обращение которого разрешено тем или иным физическим законом (например, обращение свободного падения тела на Землю разрешено законами механики; однако, с нашей точки зрения, свободное падение не является обратимым процессом). Реально обратимым является лишь такой процесс, который сам по себе обращается (подобно движению маятника вправо влево или движению планет вокруг Солнца). Именно таковы процессы, происходящие во внутренних взаимодействиях. Физическая абстракция обратимого процесса — лишь приближенная модель реального обратимого процесса.

Внутреннее взаимодействие — строго обратимый процесс. Это значит, что обратимость не является чем-то случайным, необязательным для него. Она характеризует самую суть внутреннего взаимодействия. Взаимодействие является внутренним лишь постольку, поскольку оно является обратимым, замкнутым в себе процессом.

И еще. Не следует отождествлять обратимость реального процесса с идеальной, абсолютной обратимостью теоретически мыслимого процесса. Идеально обратимый процесс есть процесс, совершенно изолированный от воздействия извне. Реальные обратимые процессы были бы таковыми, если бы в природе отсутствовали внешние взаимодействия. Но этого, как известно, не может быть.

Несколько слов о необратимых процессах, происходящих во внешних взаимодействиях. Выше мы уже коснулись этого вопроса в связи с проблемой возмущающих воздействий при измерении микрообъектов. Физиков не надо убеждать в том, что внешние взаимодействия, столкновения имеют характер необратимых процессов. Для них это неоспоримый факт. Достаточно красноречивым является такое утверждение Р. Фейнмана: "если вы подвергаете систему случайностям, происходящим в природе, столкновению молекул, например, то все происходит необратимым образом, только в одну сторону"[68].

Подробнее вопрос о необратимости внешних взаимодействий мы рассмотрим в следующем параграфе.