Внутренние и внешние взаимодействия (связь и столкновение)

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.

Таблица 3

Из таблицы видно, что различие между внутренними и внешними взаимодействиями является 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.

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 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 с 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.

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 Землей имеет ме­сто внутреннее взаимодействие, которое обусловливает их устойчивую связь друг с другом (между этими космически­ми телами действуют так называемые консервативные силы). Из наук о Земле 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 Земли.

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^[20].

Обратимые и необратимые процессы, о которых пи­шут и говорят физики, суть не что иное, как научно-физи­ческая модель внутренних и внешних взаимодействий.

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

Выше говорилось о том, 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 имеют 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.

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 гравитацион­

ному. 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 (∆p ? ∆κ_ι = Ц или ∆E ? ∆t. = Ц). 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.

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 неприменимо и его место занимают необрати­мые статистические механизмы.

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 вовне. 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.

10.4.