Шаги за горизонт

Гейзенберг Вернер Карл

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.

Следующей удивительной неожиданностью явилась электронная теория Дирака и открытие позитрона. В релятивистской теории квадрат энергии связан с квадратом импульса, и это квадратичное соотношение ведет к удвоению стационарных состояний; электрон дополняется позитроном. Поэтому под действием излучения могут образовываться пары электрон-позитрон. Позднее обнаружилось, что при радиоактивном распаде могут образовываться также пары электрон-нейтрино. Эти факты указывали на то, что даже электроны не являются неизменными единицами материи: они могут возникать и уничтожаться. Энергия может превращаться в материю, принимая форму частиц. Этот общий тезис подтвердился вскоре в ходе исследования высокоэнергетических столкновений между частицами. Сегодня мы знаем из многочисленных экспериментов с космическим излучением и из

опытов, проведенных на крупных ускорителях, что при подобных столкновениях, как правило, возникает множество частиц, из которых большинство нестабильно, как, например, -мезоны, К-мезоны или гипероны. Эти процессы не следует называть делением или распадом частиц; они демонстрируют превращение энергии в материю. Помимо стабильных частиц — протона и электрона, — эксперименты выявили очень сложный спектр нестабильных частиц, явно обладающих всеми признаками дискретных стационарных состояний в согласии с теорией Бора. Они характеризуются квантовыми числами, а это значит — симметриями; и точно так же, как возбужденное состояние атома водорода может распадаться на фотон в нормальное состояние атома водорода, -мезон может распадаться на -мезон и нейтрино. В результате понятие неизмененных единиц материи стало беспредметным; процесс деления утратил свой смысл, и каждую частицу мы вправе, если нам угодно, понимать как сложную систему. Протон можно считать состоящим из К-мезона и -гиперона, электрон — из -мезона и нейтрино; они не более элементарны, чем атом водорода.

Вернемся же теперь с учетом всех этих сведений к нашему первоначальному вопросу о том, привела ли нас физика частиц к фундаментальным структурам, к подлинному пониманию природы. Ясно одно: к фундаментальным частицам она нас не привела. Спектр частиц столь же сложен, как таблица химических элементов. Конечно, можно сказать, что протоны и электроны в нашей части Вселенной играют по сравнению с прочими частицами доминирующую роль; точно так же можно сказать, что молекулы воды важнее, чем многочисленные другие молекулы. Но никакого фундаментального различия тут выявить не удается. Обсуждалась еще и другая возможность, а именно та, что будущие эксперименты с еще более высокими энергиями позволят обнаружить новые частицы, например кварк с зарядом ¹/₃, которые окажутся более фундаментальными, чем остальные. Но ведь и эти частицы тоже будут подвержены превращениям материи в энергию и наоборот, так что неясно, в каком смысле их можно будет считать более фундаментальными [59] .

59

⁵¹ Кварки — более фундаментальный уровень, чем образованные из них адроны. Хотя кварки в свободном состоянии не наблюдаются, эта гипотеза оказалась настолько плодотворной, что в настоящее время сомнения в существовании кварков отпали. См.: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. М., «Наука», 1984; Ёитиро Намбу. Кварки. На переднем крае физики элементарных частиц. М., «Мир», 1984.

Здесь, как мне кажется, следует ненадолго возвратиться к вопросу о том, должны ли мы строить все более крупные ускорители. Разумеется, нельзя исключить той возможности, что при экспериментировании с более высокими энергиями нас встретят новые неожиданности, например обнаружится новый тип каскадов или частиц. Следует, впрочем, иметь в виду, что наши сегодняшние знания не дают ни малейших оснований ожидать чего-либо подобного. Наоборот, имеющиеся факты вполне позволяют заключить, что на накопительных кольцах женевского ускорителя уже достигнута асимптотическая область; и даже в космическом излучении, энергия которого достигает 10⁵ ГэВ, не наблюдается никаких необычных явлений [60] . Из наших сегодняшних экспериментальных знаний вытекает непротиворечивая картина, и эта картина, похоже, допускает единую, без натяжек, теоретическую интерпретацию связей, существующих между различными силами и частицами, между сильными, электромагнитными и слабыми взаимодействиями и гравитацией.

60

⁵² См. прим. 49. Прогноз Гейзенберга о существовании асимптотической области, где при увеличении энергии не будет наблюдаться никаких существенно новых явлений, не оправдался.

И снова зададимся вопросом о том, сумела ли физика частиц открыть фундаментальные структуры природы. Мне кажется, мы вправе сказать, что были открыты фундаментальные симметрии. Под этим выражением, «фундаментальные симметрии», имеется в виду, что закон природы, от которого зависят спектр частиц и их взаимодействие, является инвариантным при известных группах преобразований. Этими группами определяется все пространство, в котором развертывается реальный мир. Важнейшие группы — это, по-видимому, Лоренцова группа, определяющая пространство и время, группа SU₂, относящаяся к электромагнитным явлениям, и масштабная группа, описывающая асимптотические явления при очень высоких энергиях. В физике частиц мы фактически исследуем структуру этих групп, и ее следует считать фундаментальной. Столь радикальное изменение понятийной системы науки — от фундаментальных частиц к фундаментальным симметриям — не всем приходится по душе; люди слишком привязаны к вопросам типа «Из чего же в конце концов состоит материя?» или «Можно ли расщепить протон при столкновении частиц очень высоких энергий?». Я считаю, однако, что эксперименты окончательно выявили бессмысленность подобных вопросов. В отличие от этого поиски фундаментальных симметрии — вполне осмысленная задача, хотя она и кажется чересчур абстрактной. Окончательные ответы мы получим только после экспериментального и теоретического изучения многочисленных конкретных подробностей явлений; и эта работа ведется в крупных физических лабораториях.

Что касается роли данной отрасли физики в рамках современной науки, то итоговый вывод из всего сказанного должен звучать, по-видимому, следующим образом: физика частиц информирует нас, строго говоря, о фундаментальных структурах природы, а не о фундаментальных частицах. Эти структуры намного более абстракты, чем нам казалось 50 лет назад, однако понять их возможно. В грандиозном напряжении, с каким наша эпоха работает в этой области, позволительно видеть выражение человеческого порыва проникнуть в интимнейшую суть вещей. Я не виноват, если эта суть не материальной природы, если нам приходится иметь тут дело скорее с идеями, чем с их материальным отображением. Во всяком случае, нам следовало бы попытаться понять эту суть.