Шаги за горизонт

Все это совершенно неизбежно, таковы непреложные последствия того факта, что физика элементарных частиц стала составной частью большой науки. Приходится мириться с создавшимся положением вещей. Но обо всем этом нам следовало бы помнить, когда мы, скажем, в качестве советников нашего правительства даем оценку бюджетных ассигнований на различные области науки. Организация научного исследования — важная задача в любом современном государстве, и видным физикам очень часто приходится давать советы своим правительствам в деле вынесения решений о приоритетах. Финансовые средства на постройку и эксплуатацию большого ускорителя сопоставимы со средствами, требующимися для основания и поддержания жизнедеятельности нового университета. Само собой разумеется поэтому, что, прежде чем выносить решение, надо взвесить многие факторы отчасти политического, отчасти научного свойства. Рассмотрю некоторые из них.

Прежде всего — интернациональный характер физики элементарных частиц. Вряд ли в какой-либо другой научной области международное сотрудничество было столь необходимым и столь успешным. Отсутствие прямого технического применения защищает эту область от примеси экономических или национальных интересов. Поэтому распределение высокой стоимости ускорительной лаборатории между целым рядом государств оказывается нетрудным делом, и научная жизнь в международном учреждении весьма способствует взаимопониманию между физиками, инженерами и управленческими служащими из разных стран. Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве представляется мне наиболее плодотворной международной организацией этого рода.

Подобная интернациональная лаборатория может одновременно действенно способствовать прогрессу в специальных областях науки и техники, стимулируя этот прогресс в каждой из стран-участниц. Экспериментирование в физике элементарных частиц невозможно без самой усовершенствованной технологии, и тем самым оно косвенно служит делу разработки этой технологии. Но не нужно только преувеличивать эту пользу, технический «побочный эффект» крупных ускорителей. Всякая отрасль «большой науки» даст аналогичный результат, только, может быть, в других областях техники; так что это не аргумент в пользу высокого приоритета физики частиц.

Тенденция к концентрации исследований физики частиц в крупных международных центрах влечет за собой, конечно, свои неудобства, связанные с продолжительностью экспериментов. Сотрудничество между университетами и исследовательскими институтами стран-участниц, с одной стороны, и международным центром — с другой, в нормальном случае должно было бы предполагать, что физики или исследовательские группы того или иного из национальных институтов систематически приезжают в этот центр для работы в течение одного-двух лет, проводят там свой эксперимент и возвращаются в свой институт, обогащенные опытом и научно-техническими знаниями. Но поскольку для проведения эксперимента обычно требуется шесть и более лет, то ситуация оказывается значительно сложнее. Физик, проживший с семьей шесть лет при международном центре, как правило, не хочет возвращаться домой. Он чувствует себя как дома в своем новом окружении, его дети ходят там в школу, возможности для научной работы в центре лучше, чем в его старом университете. Современный уровень научной жизни центра поэтому часто не становится достоянием стран-участниц. Наоборот, страны-участницы нередко теряют своих одареннейших молодых ученых, уходящих в международный центр. Противодействовать такой утечке умов способна только высокая активность самих стран-участниц в деле развития физики частиц. В случае, когда национальный институт, располагающий пусть даже небольшим специализированным ускорителем, способствует повышению интереса к физике частиц, между этим институтом и международным центром начинается систематический обмен информацией, и зарубежные публикации института служат повышению престижа его страны. Однако подобный национальный институт опять-таки требует для себя обширных ассигнований.

Словом, в конечном счете мы опять возвращаемся к вопросу о том, действительно ли физика частиц является столь фундаментальной областью науки, что можно считать оправданными те большие материальные жертвы, которых она требует. О фундаментальном характере физики частиц я буду говорить в последнем разделе доклада; а сейчас я хочу рассмотреть лишь частный практический аспект проблемы, поставив вопрос: действительно ли мы получаем более фундаментальную, более существенную информацию, когда переходим ко все большим энергиям сталкивающихся частиц, то есть когда мы строим все более крупные ускорители? Почти всеми признается, что так оно и должно быть. В прошлом переход к более высоким энергиям неизменно сопровождался раскрытием новых перспектив; почему же и в будущем не должно происходить то же самое? В заключение своего доклада я приведу некоторые аргументы в пользу того, что такой взгляд не обязательно верен. Впрочем, даже если этот взгляд будет разделяться всеми, экономические и социальные проблемы современного мира чрезвычайно затруднят финансирование намного более крупных ускорителей, чем те, которые строятся сейчас. Мы можем поэтому исходить из того, что в ближайшее десятилетие физика частиц будет вынуждена целиком опираться на существующие и строящиеся в настоящее время машины; процессы с наиболее высокими энергиями будут создавать на накопительных кольцах женевского ускорителя. Если результаты новых экспериментов пробудят интерес к еще более высоким энергиям, то материалом для исследований может пока служить космическое излучение, как это было в начале 50-х годов. Подобные эксперименты, по всей видимости, обойдутся дешевле, чем постройка еще более крупных ускорителей, хотя результаты, возможно, окажутся не столь надежными [57] .

57

⁴⁹ Новые мощные ускорители частиц привели к важным открытиям.' Так, в 1983 г. на протон-антипротонном коллайдере в ЦЕРН были открыты И-бозоны, и тем самым экспериментально доказана единая теория электромагнитного и слабого взаимодействий.

Некоторые физики вопреки всем экономическим, политическим и социальным препятствиям выступают за более крупные ускорители, сравнивая эти машины как характерную черту современного мира с египетскими пирамидами или со средневековыми соборами. Они утверждают, что гигантские монументы прошлого были воздвигнуты с целью выразить глубочайшую суть жизни общества, символизировать его отношение к высшей силе. Основополагающее для всякого общества истолкование мира, говорят они, достигало зримого присутствия в виде величественного символа. Точно так же и крупные ускорители нашего времени могут считаться символами нашего научного истолкования мира.

Можно ли вполне согласиться с аргументацией подобного рода? Разумеется, есть свидетельства того, что в наше время человеческое доверие начинает сосредоточиваться именно на науке. В медицине, сельском хозяйстве, технических областях мы вверяем себя науке, с ее объективностью и строгостью. Но вместе с тем мы ощущаем чрезмерную узость научного истолкования мира. Здесь упущены многие существенные элементы, составлявшие главное содержание старых религий. Наука проходит мимо них столь решительно, что становится трудно даже говорить о них. Но беспокойство молодого поколения и многочисленные другие признаки внутренней тревоги явно указывают на присутствие какого-то пробела, подлежащего заполнению. Я не могу поэтому убедить себя в том, что рядовой человек станет воспринимать ускорительную установку, которая выглядит снаружи как еще один завод, в качестве символа своего истолкования мира; впрочем, может быть, я ошибаюсь.

Наверное, мы должны оставить эти вопросы открытыми и подумать лучше о том, в каком смысле физика элементарных частиц может считаться фундаментальной областью научного исследования. Атомная физика с самого начала поставила перед собою цель проникнуть сквозь наблюдаемые феномены к лежащим в их основе фундаментальным структурам, к пониманию природы. Исторический путь науки вел от химии к модели атома Бора — Резерфорда, от этого образа атома — к гипотезе, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, и к той идее, что вся материя состоит из трех элементарных частиц — протона, нейтрона и электрона, наконец — к описанию спектра частиц, могущих возникнуть при превращении энергии в материю. На этом пути встречались свои неожиданности, приведшие к существенным изменениям в системе физических понятий, и мимо этих изменений нельзя пройти при обсуждении вопроса о том, добрались ли мы в физике частиц до фундаментальных структур и каковы эти структуры.

Первой ошеломляющей неожиданностью было ограничение применимости ньютоновской механики. До открытия Планком кванта действия все механические процессы описывались в понятиях классической механики и всегда понимались в ее духе. Однако объяснить по этой теоретической схеме невероятную стабильность атома было невозможно. Атом, строение которого нарушено внешними силами химической реакции, столкновениями в разрядной трубке или электромагнитным полем, рано или поздно-всегда возвращается к одному и тому же нормальному состоянию. Планетная система электронов, вращающихся вокруг ядра, не могла бы быть способна к такому поведению. Этот факт явился отправной точкой для гипотезы Бора о дискретных стационарных состояниях; благодаря этой гипотезе квант действия Планка вошел составной частью в механику. После того как квантовая механика получила математическое оформление, слово «состояние» стало означать нечто иное, чем в прежней классической механике. В прежней физике реакция системы на действие внешних сил, например в процессе наблюдения, однозначно определялась тем, что называли состоянием этой системы. В квантовой механике знание состояния системы позволяло вычислить лишь вероятность ее реакции. Изменение состояния во времени, как и в ньютоновской механике, описывалось с помощью динамического закона. Известные состояния при константных внешних условиях не подвержены изменениям во времени и называются поэтому стационарными состояниями; эти состояния характеризуются дискретными значениями энергии и определяются математически как собственные решения системы линейных уравнений. Понятие дискретных стационарных состояний весьма существенно изменило прежнее представление об атоме.

Согласно прежней концепции, атом представлял собой неизменяющуюся фундаментальную единицу материи. Но атом Бора в качестве дискретного стационарного состояния той или иной механической системы оказывался уже не неизменным. Внешние силы, столкновения, химические реакции разрушали его, хотя он восстанавливался с прекращением нарушающего воздействия. В ходе материальных взаимодействий атомы постоянно разрушаются и постоянно восстанавливаются. Это характерное поведение дискретных стационарных состояний связано в его математическом описании с их поведением при определенных симметрических преобразованиях. Если динамический закон, лежащий в основании системы, остается инвариантным при определенном преобразовании, например при вращении в пространстве, то математическое представление ее дискретного стационарного состояния будет равным образом представлением группы вращения и тем самым не будет предусматривать, в рамках данного динамического закона, изменений во времени. Эта взаимосвязь между дискретными стационарными состояниями и симметриями системы в годы, когда Бор формулировал свою гипотезу, не была, разумеется, столь же ясной, как теперь; она была открыта позднее в результате основательных исследований в области квантовой механики Вигнером [58] и математиками.

58

⁵⁰ Теорию групп в квантовой механике первыми стали применять Е. Вигнер (Wigner Е. Gruppentheorie und ihre Anwendung auf der Quantenmechanik der Atomspektren. Braunschweig, 1931. Перевод: Вигнер E. Теория групп и ее приложения к квантовомеханической теории спектров. М., ИЛ., 1961.), Г. Вейль (Weyl Н. Gruppentheorie und Quantenmechanik. Leipzig, 1928. Перевод: Вейль Г. Теория групп и квантовая механика. М., Наука, 1986) и ван дер Варден Б. Л. (van der Waerden В. L., Die gruppentheoretische Methode in der Quantenmechanik. Berlin, 1932. Перевод: Ван дер Варден Б. Л. Метод теории групп в квантовой механике. Харьков, ОНТВУ, 1938).

Из понимания этой особенности дискретных стационарных состояний был вначале сделан тот несколько скороспелый вывод, что химический атом есть не атом, а некая система из протонов, нейтронов и электронов и что именно эти элементарные частицы являются подлинно неизменными фундаментальными единицами материи. В отношении нейтронов это было не вполне справедливо, поскольку они распадаются на протоны, электроны и нейтрино, однако протоны и электроны казались настоящими элементарными частицами, и в течение определенного времени таким был всеобщий взгляд на вещи.