Шаги за горизонт

В последние годы в связи с этими трудностями была предпринято немало исследований, однако вполне удовлетворительного решения дать не удалось. Единственной опорой кажется пока следующее допущение: в предельно малых пространственно-временных областях, порядок величины которых тот же, что и у элементарных частиц, пространство и время странным образом исчезают, а именно: для столь малых времен уже нельзя правильно определить сами понятия «раньше» и «позже». Разумеется, пространственно-временная структура в целом нисколько не меняется, однако приходится считаться с возможностью, что в экспериментах с процессами, протекающими в крайне малых пространственно-временных областях, обнаружится, что некоторые из них протекают в направлении времени, как бы обратном тому, которое соответствует их каузальной последовательности.

Здесь, таким образом, новейшие результаты атомной физики вновь оказываются связанными с проблемой закона причинности. В настоящий момент, правда, нельзя решить, сталкиваемся ли мы тут опять с новыми парадоксами и отклонениями от закона причинности. Может случиться, что при попытках математической формулировки законов физики элементарных частиц откроются другие возможности избегнуть названных трудностей. Но уже сейчас вряд ли можно сомневаться в том, что развитие новейшей атомной физики в этом пункте еще раз вторгнется в сферу философии. Окончательный ответ на поставленные только что вопросы можно будет дать только в том случае, если удастся установить действующие в сфере элементарных частиц математические законы — если, к примеру, мы узнаем, почему протон именно в 1836 раз тяжелее электрона [48] .

48

⁴¹ Хотя для ряда открытых в последние десятилетия частиц удавалось сравнительно точно предсказать значение их масс, общее объяснение спектра масс элементарных частиц остается и поныне одной из труднейших нерешенных проблем релятивистской квантовой физики.

Отсюда явствует, что атомная физика все больше отдаляется от детерминистских представлений. Во-первых, потому, что атомистическое учение с первых шагов рассматривает законы, определяющие макроскопические процессы, как статистические. Во-вторых, потому, что в первой половине нашего столетия неполнота знания атомных систем была признана принципиальным элементом теории. В-третьих, потому, что в самые последние годы понятие временной последовательности оказалось проблематичным в применении к пространствам и временам предельно малых масштабов, хотя мы пока не можем сказать, как же будет решена эта загадка.

Роль физики элементарных частиц в развитии современного естествознания [49]

Нет необходимости говорить о том, что физика элементарных частиц играет в современной науке очень важную роль. Свидетельством тому — и большое количество физиков, занятых исследованиями в данной области, и огромные бюджеты национальных и международных учреждений, предоставляющих испытательные установки для физических исследований. В сегодняшнем докладе я поэтому ставлю перед собой следующие цели: подробнее проанализировать эту роль; проследить конкретные связи между физикой частиц и другими ветвями физики или другими науками; выяснить причины и следствия появления данной сферы деятельности в рамках так называемой большой науки; наконец, бросить взгляд на результаты, достигнутые за последние десятилетия, и сделать из них выводы, касающиеся понятийной структуры нашей науки.

49

⁴² Доклад на заседании Шведской Академии наук 24 апреля 1974 г. в Стокгольме. Первая публикация на английском языке: Heisenberg W. The role of elementary particle physics in the present development of science//«Documenta» der Stockholmer Akademie, 1974.

Когда в начале нашего столетия работы Резерфорда и Бора впервые позволили заглянуть в строение атома, было нетрудно догадаться, что достижение понимания электронных оболочек атома будет иметь крайне важные последствия для многих областей физики и для науки вообще. Выявилась основа, на базе которой удалось объяснить поведение материи в ее различных формах (твердое тело, жидкость, газ), осмыслить такие специфические свойства, как кристалличность, электропроводность, упругость твердых тел или сверхтекучесть жидкостей, и дедуцировать цвет газов в разрядных трубках из траекторий электронов внутри атома. Обширный материал, собранный химиками в процессе изучения молекул, свойств химических соединений и механизмов их реакций, ожидал анализа и интерпретации в свете этих новых знаний об атоме. На повестке дня стояло их широкое практическое применение, и действительно, после 1930 года, когда мы поняли поведение внешних частей атома, эти познания принесли богатые плоды в физике твердого тела, при исследовании низких температур и в астрофизике.

Первые шаги ядерной физики не сопровождались подобными ожиданиями. В большинстве своих проявлений — если не считать радиоактивности — ядро атома предстает неизменной единицей, и даже в середине 30-х годов многие сомневались в возможностях технического применения ядерной физики. Лишь когда Вейцзеккер и Бете доказали, что звезды — это гигантские атомные печи, а Отто Ган открыл расщепление урана [50] , расчистился путь для последовавшего затем невероятно ускоренного технического развития.

50

⁴³ В 1938–1939 гг. Г. Бете — американский физик немецкого происхождения — открыл основные циклы термоядерных реакций в звездах — водородный и углеродный (Нобелевская премия, 1967 г.). Последний цикл независимо открыл также К. Вейцзеккер. О. Ган — немецкий физик и радиохимик — совместно с Ф. Штрассманном открыл в 1938 г. явление деления ядер урана под воздействием медленных нейтронов (Нобелевская премия по химии, 1944 г.).

Можно ли ожидать аналогичных последствий в случае физики элементарных частиц? По причинам, относящимся к истории науки, мы пользуемся термином «элементарные частицы» — насколько вообще им пользуемся — применительно к объектам с барионным числом 1 или 0, с зарядом 1 или 0 и с лептонным числом 1 или 0 [51] ; поведение именно этих частиц всесторонне исследовалось за последние 20 лет. В большинстве природных феноменов эти частицы выступают, подобно ядру, как неизменные единицы, и лишь с помощью гигантских ускорителей мы можем деформировать их, превратив в весьма нестабильные объекты, которые распадаются в конце концов на небольшое число стабильных объектов, известных нам как электроны, протоны, фотоны и нейтрино. Диапазон их технического применения кажется небольшим. Естественно, мы в состоянии комбинировать эти объекты друг с другом, получая более крупные соединения, вызывать таким путем реакции, добывать энергию, однако все эти процессы уже хорошо известны в ядерной или атомной физике.

51

⁴⁴ Барионное число (барионный заряд) — одна из внутренних характеристик элементарных частиц, отличная от нуля для барионов («тяжелых» частиц, таких, как протон, нейтрон, гипероны и др.) и равная нулю для всех остальных частиц. Лептонное число (лептонный заряд) характеризует лептоны (электрон, мюон, нейтрино и другие частицы, не обладающие сильным взаимодействием). Процессы превращения элементарных частиц подчиняются законам сохранения суммарных зарядов.

Прежде всего поставим вопрос о том, какие взаимосвязи существуют между основательным изучением физики элементарных частиц и другими отраслями нашей науки. Эксперименты двух последних десятилетий привели к созданию довольно-таки непротиворечивой картины мира элементарных частиц. Когда на большом ускорителе сталкиваются две частицы очень высоких энергий, результат их столкновения не следовало бы называть делением столкнувшихся частиц. В действительности тут происходит рождение новых (большей частью нестабильных) частиц из кинетической энергии сталкивающихся объектов согласно законам специальной теории относительности. Энергия превращается в материю, принимая форму частиц..

Спектр частиц, которые здесь могут возникнуть, столь же сложен, как спектр стационарных состояний атомов, молекул или ядер. Частицы, точно так же, как атомы или молекулы, характеризуются квантовыми числами, иначе говоря, характеризуются своей симметрией, своим поведением при фундаментальных преобразованиях. Поэтому область физики частиц уместно сравнить с областью химических реакций в газах. И там, и здесь требуется знание об очень многих отдельных объектах — в одном случае о молекулах, в другом о частицах — и о том, какая реакция происходит при их столкновении. За последние 20 лет собрано множество данных об элементарных частицах; попробуем осмыслить значимость этих данных для других областей науки.

Начнем с теоретической стороны картины. Как методы, так и результаты здесь потенциально важны для других научных областей. Методы анализа процессов, наблюдаемых в физике частиц, аналогичны методам, применяемым при изучении реакций между атомами, молекулами или электронами, скажем, в квантовой химии. Методы эти принадлежат к теоретической области, которую называют физикой многих тел, и каждый успех, достигаемый в физике частиц, может оказаться полезным в данной области, например при изучении химических реакций или при исследовании поведения твердых тел в возбужденных состояниях. И наоборот: эти возбужденные состояния, именуемые поляронами или экситонами, являют в нерелятивистской теории поля наилучший аналог процессов, которыми занята физика частиц. Между двумя этими областями происходит поэтому плодотворный обмен идеями [52] .

52

⁴⁵ Поляроном называют квазичастицу (электрон в кристалле вместе с поляризованной и деформированной им областью решетки), перемещающуюся по кристаллу как нечто целое. Экситон — квазичастица, соответствующая электронному возбуждению в кристалле диэлектрика, перемещающаяся по кристаллу, но не связанная с переносом заряда и массы.

Что касается результатов, то важнейших приложений наших познаний физики частиц следует, по-видимому, ожидать в области ядерной физики. Силы взаимодействия между протоном и нейтроном как составными частями ядра пока еще недостаточно изучены. Существуют феноменологические описания этих сил, в какой-то мере соответствующие расчетам стационарных состояний ядер; но уже определить силы взаимодействия между тремя телами удается лишь с гораздо меньшей точностью. Эти силы, по-видимому, в значительной степени возникают вследствие обмена частицами, прежде всего бозонами (-мезонами, -мезонами и т. д.) [53] , так что изучение частиц и их взаимодействия расширяет наше знание внутриядерных сил.

53

⁴⁶ Бозон — частица с нулевым или целочисленным спином в отличие от частиц с полуцелым спином — фермионов. Согласно квантовой теории поля, взаимодействие осуществляется путем обмена определенным видом бозонов. Так, носителем электромагнитных взаимодействий являются фотоны, слабых — W и Z — бозоны; носителем сильного взаимодействия долгое время считался -мезон; с принятием кварковой модели эта роль перешла к глюонам.