Избранные научные труды
Шрифт:
Правильная интерпретация вопросов дополнительности и индетерминизма едва ли была бы достигнута без оживлённых дискуссий, в частности на Сольвеевских конгрессах 1927 и 1930 гг. На этих конгрессах Эйнштейн вызывал нас на дискуссию очень изощрённой критикой, которая имела особое значение, заставляя нас глубже анализировать роль измерительных приборов в процессе измерения. Критическим пунктом, совершенно исключавшим возможность возврата к наглядному причинному описанию, было признание того, что область однозначного применения общих законов сохранения импульса и энергии принципиально ограничена; её ограничение связано с тем обстоятельством, что любое экспериментальное устройство, позволяющее определить положение атомного объекта в пространстве и времени, подразумевает в принципе
Это обстоятельство особенно отчётливо выявилось в дискуссии об измеримости компонент электромагнитного поля, начатой Ландау и Пайерлсом. Этот вопрос был поднят в качестве серьёзного аргумента против состоятельности квантовой теории поля. И в самом деле, детальное исследование, проведённое мной в сотрудничестве с Розенфельдом, показало, что все предсказания теории в этом отношении могут быть осуществлены, когда будет должным образом учтено то, что определение значений электрического и магнитного полей и точное знание фотонного состава поля взаимно исключают друг друга. С аналогичным положением мы встречаемся в теории позитрона, согласно которой любое устройство, способное измерить распределение заряда в пространстве, неизбежно влечёт за собой неконтролируемое образование электронных пар.
Типично квантовые особенности электромагнитных полей не зависят от масштабов, поскольку две фундаментальные константы, скорость света c и квант действия h, не позволяют каким-либо образом построить величины с размерностями длины или времени. Релятивистская теория электрона включает в себя значение заряда электрона e и его массы m, и существенные характеристики явления ограничены пространственной протяженностью порядка h/mc. То обстоятельство, что эта величина всё ещё велика по сравнению с «радиусом электрона» e^2/mc^2, ограничивающим однозначное использование представлений классической электромагнитной теории, наводит на мысль о том, что имеется ещё достаточно широкая область применимости квантовой электродинамики, хотя многие её следствия не могут быть проверены практически существующими экспериментальными устройствами, включающими в себя столь большие измерительные приборы, что при операциях с ними и конструировании их можно пренебречь статистическими элементами. Эти же самые трудности, конечно, также не дают возможности никакого прямого исследования близких взаимодействий между фундаментальными составляющими вещества, число которых сильно возросло в результате последних открытий; исследуя взаимосвязи этих составляющих, мы должны быть поэтому готовы к новому подходу, выходящему за пределы существующей квантовой теории.
Едва ли есть необходимость подчёркивать, что все эти проблемы не возникают при описании обычных физических и химических свойств вещества, основанном на атомной модели Резерфорда; при анализе этих свойств используются только хорошо определённые свойства частиц, входящих в эту модель. Однако и здесь дополнительное описание даёт адекватный подход к проблеме устойчивости атома, с которой нам пришлось сталкиваться с самого начала. Так, интерпретация спектральных закономерностей и химических связей относится к таким экспериментальным условиям, которые исключают экспериментальные условия, допускающие точный контроль за положением и смещением отдельных электронов в атомных схемах.
В связи с этим важнейшее значение имеет понимание того, что плодотворное использование структурных формул в химии основано единственно на том, что атомные ядра настолько тяжелее электронов, что по отношению к молекулярным размерам неопределённостью в положении ядра можно в широких пределах пренебречь. Оглянувшись на всю историю вопроса, мы убеждаемся в том, что именно открытие того факта, что вся масса атома сконцентрирована внутри небольшой (по сравнению с протяженностью атома) области, дало ключ к пониманию совершенно
Как известно, методы квантовой теории оказались также решающими и для выяснения многих проблем строения и устойчивости самих атомных ядер. К некоторым, возникшим в предыдущие годы аспектам таких проблем я буду ещё иметь случай вернуться, когда я продолжу свой рассказ о Резерфорде; но выходило бы уже совсем за пределы этой лекции, посвящённой памяти Резерфорда, подробное изложение чрезвычайно быстрого проникновения в тайны ядерного строения, обусловленного работами современного поколения физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. Этот процесс очень напоминает (в особенности старшим среди присутствующих здесь) постепенное раскрытие электронного строения атома в течение первых десятилетий после фундаментального открытия Резерфорда.
X
Каждый физик, конечно, знает о серии блестящих исследований Резерфорда, которые проводились им до конца своих дней с целью расширения наших сведений о свойствах и строении атомных ядер. Поэтому я упомяну здесь лишь о нескольких впечатлениях тех лет; в это время я часто имел возможность знакомиться с работами Кавендишской лаборатории, а из разговоров с Резерфордом узнавать общее направление его мыслей и проблем, занимающих как его самого, так и его сотрудников.
Глубокая интуиция Резерфорда позволила ему очень рано отдать себе полный отчёт о новых необычных проблемах, связанных с существованием и устойчивостью ядер, образованных несколькими составляющими. И действительно, уже в манчестерские дни он указывал, что любой подход к этим проблемам связан с предположением о наличии между ядерными составляющими короткодействующих сил совершенно иного типа, нежели электрические силы, действующие между заряженными частицами. Поставив своей целью пролить некоторый свет на специфические ядерные силы, Резерфорд и Чэдвик уже в первые годы своей работы в Кэмбридже провели обширные исследования аномального рассеяния -частиц при близких ядерных соударениях.
Хотя в этих исследованиях было получено много важных и новых данных, становилось всё более и более ясным, что для подлинного решения проблемы ядра недостаточно источников естественных -частиц и что желательно иметь в своем распоряжении интенсивные пучки частиц высокой энергии, полученные искусственным ускорением ионов. Несмотря на уговоры Чэдвика приступить к конструированию подходящего ускорителя, Резерфорд в течение нескольких лет противился тому, чтобы в его лаборатории начали такое большое и дорогостоящее предприятие. Легко понять эту позицию Резерфорда; стоит лишь вспомнить тот удивительный прогресс, который был им достигнут в прежние времена с помощью очень скромного экспериментального оборудования. Вообще попытка соревноваться с естественными радиоактивными источниками в то время должна была представляться довольно безнадёжной. Однако по мере развития квантовой теории и в связи с её первыми успешными приложениями к ядерным проблемам перспективы существенно изменились.
Сам Резерфорд уже в 1920 г. в своей второй Беккерпанской лекции ясно указал на трудности объяснения испускания -лучей из ядер на основе простых механических соображений, которые оказались очень полезными для объяснения рассеяния -частиц ядрами; трудность состояла в том, что скорость испущенных частиц была недостаточной, чтобы позволить этим частицам при изменении направления движения на обратное снова вернуться в ядро, преодолев электрическое отталкивание. Однако вскоре выяснилась в качестве простого следствия волновой механики возможность прохождения частицы под потенциальными барьерами, и в 1928 г. Гамов, работавший в Гёттингене, а также Кондон и Гэрни в Принстоне на этой основе сумели дать не только общее объяснение -распада, но даже подробно выяснить связь между временем жизни ядра и кинетической энергией испускания -частиц в полном соответствии с эмпирическими закономерностями, обнаруженными в ранние манчестерские дни Гейгером и Нэттолом.