Внутренние и внешние взаимодействия (связь и столкновение)

Внутренние и внешние противоречия являются простыми и в чистом, неопосредованном виде дейст­вуют лишь в неорганической природе. Их физико­химическими аналогами или эффектами являются внутренние и внешние взаимодействия.

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 объективно и не зависит от прихоти ис­следователя; внутреннее взаимодействие в любых от­

ношениях 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.

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, порож­

дая 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.

Обратимые и необратимые процессы, о которых пишут и говорят физики, суть не что иное как научно­физическая 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 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 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 взаимо­

действиям 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 (Δ р ∙ Δ х ≥ ħ или Δ Е ∙ Δ t ≥ ħ). 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.

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 ис­

следованием 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 физи- ков-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 процес-

сом). 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.