Время вспять
Шрифт:
Хочу привести обратный пример двух искусных и честных экспериментаторов, которые однако известности не добились. Фриц Лондон предсказал, что в сверхпроводнике магнитный поток принимает только квантованные значения, множители элементарного кванта (kc/e). В 1961 году два немецких физика наблюдали квантование магнитного потока, но измеренный ими квант был меньше половины (пс/е) (около 40 %). После тщетных попыток найти грубую ошибку в калибровке своих измерений они решились опубликовать этот непонятный результат. Между тем в том же номере "Physical Review Letters" Янг (C.N. Yang) показал, что ввиду существования, так называемых, куперовских пар, на которых зиждется современная теория сверхпроводимости, заряд е в формуле магнитного кванта должен быть удвоен. Новое значение кванта — (hc/2e), т. е. в два раза меньше, чем предполагалось раньше, и в пределе экспериментальных погрешностей совпадает с результатом немецких ученых. Никто, в том числе и я, не помнит их имен. Несправедливо!
А вот еще маленькая история, связанная с "высокомерным авторитетом эксперимента". В 1923 году, за двадцать три года до открытия ЯМР, немецкий физик Отто Штерн решил измерить магнитный момент протона, пользуясь методом молекулярных пучков — не легкий эксперимент по тем временам. Узнав об его намерении, Паули объявил: "Бесполезный эксперимент. Что, кроме ядерного магнетона, надеется найти этот Dummkopf (глупец)?" (На это словечко Паули всегда был довольно щедр.) "Думкопф" нашел почти в три раза больше, чем ядерный магнетон. Хочу теперь, хотя я сам не специалист, описать кратко несколько этапов в развитии
Неожиданно вывел всех из тупика эксперимент Уиллиса Лэмба в 1947 году. Пользуясь радиочастотной техникой, он обнаружил, что первые два возбужденных уровня водородного атома, на расстоянии десятка электрон-вольт от основного уровня, которые согласно точной теории Дирака должны были совпадать друг с другом, на самом деле были расщеплены на несколько микроэлектрон-вольт. Почти одновременно с этим другой экспериментатор — Поликарп Каш — нашел другое отклонение от теории Дирака: гиромагнитное отношение электрона отличалось от двух приблизительно на одну тысячную. Теоретики быстро убедились в том, что эти отклонения объяснялись вакуумными флуктуациями излучения и материи, которые рассматривались и прежде, но до сих пор всегда приводили к бесконечным результатам. Теперь, благодаря результатам Лэмба и Каша, теоретики знали, что эффекты флуктуации реальны, что они измеримы и малы. Последнего следовало ожидать ввиду малой величины константы связи. Менее чем в три года благодаря усилиям Швингера, Фейнмана, Томанаги и Дайсона, появился на свет так называемый метод ренормгруппы, который позволил при расчете любой физической величины однозначно изолировать расходящиеся части интегралов всех порядков по константе связи, выделяя в результате вычисления ее конечную часть, которую можно было сравнить с результатами эксперимента. Как известно, замечательное изобретение Фейнмана, так называемый метод диаграмм позволило представить наглядно и записать все члены любого порядка n. Когда порядок n увеличивается, число членов этого порядка растет, величина их уменьшается, а вычисление каждого члена быстро усложняется. Оправдывает подсчет членов высокого порядка, несмотря на их очень малую величину и на очень большую сложность, воистину умопомрачительное согласие теории с экспериментом. Такое согласие доказывает одновременно и правильность метода ренормгруппы как метода вычислений, и способность теории описывать физическую реальность. Я не сомневаюсь, что метод ренормгруппы легко мог бы быть открыт на десять лет раньше. Теоретикам, которых я только что назвал, вполне хватало и математического искусства и воображения. Чего им не хватало, так это уверенности, что квантовая электродинамика правильно описывает действительность. Только эксперимент мог им дать и дал эту уверенность. Они узнали, что "гнили" никакой не было, и после этого легко спасли "державу".
Господин Том смеется над физиками, которые "отыскивают" согласия до седьмого порядка между экспериментом и теорией, которая "математически неудовлетворительна". Тут заложена "маленькая неточность". Согласие, и не до седьмого, а до десятого порядка, не "отыскивают", оно "находится" само собой. Параметров, которые надо "подгонять" к результатам, здесь нет. Надо признать, что, так называемых, феноменологических теорий, где параметры "подгоняют" к результатам, в физике немало. Есть анекдот, который это прекрасно описывает и который, с вашего разрешения, я расскажу. Дело происходит в США во время гражданской войны между северянами и южанами. Северянин, кавалерийский офицер, проезжает верхом по деревне в одном из западных штатов. На двери каждого амбара кто-то нарисовал несколько концентрических кругов, как на мишени для упражнения в стрельбе, и в самой серединке каждой мишени — один-единственный след пули. Офицер спрашивает у парня, который прислонился к амбару:- Кто это тут упражнялся? Неплохой стрелок. — Да это Билли Джонс баловался с кольтом. — На каком расстоянии от амбара он стреляет? — Шагов тридцать. — Долго целился? — Кто? Билли? Да нет, выхватывает из кобуры и стреляет. — Вот это стрелок! Таких нам и надо. — Не в обиду будь сказано, лейтенант, Билли вам не подойдет. — Не твоего это ума дело. Он за тридцать шагов от мишени стоит, когда стреляет? — Ну, тридцать, тридцать, иногда и за сорок. — И долго не целится? — Да говорил же я вам, выхватывает и стреляет. — Ладно, вот тебе парень доллар, приведи мне твоего Билли, да поскорее. — Иду лейтенант, и большое вам спасибо. А все-таки разрешите сказать, что Билли сперва стреляет, а потом только круги рисует.
Как последний пример близкого сотрудничества между теорией и экспериментом назову несохранение четности в так называемых слабых взаимодействиях, к которым принадлежит, между прочим, и ядерный /? — распад. Про теорию говорят, что она сохраняет четность, когда нельзя отличить явления, которые она описывает, от их отражения в зеркале. Давно было известно, что четность сохраняется с большой точностью в электромагнитных взаимодействиях, а также и в сильных взаимодействиях, которыми обусловлены ядерные силы. До 1958 года предполагалось, что так же обстоит дело в слабых взаимодействиях. По крайней мере, не существовало экспериментальных данных, доказывающих обратное. И снова поднял тревогу эксперимент. В космических лучах открыли две неустойчивые частицы, названные г и е. В пределах экспериментальных погрешностей масса и время жизни частиц были одинаковы, но их распады через слабое взаимодействие указывали на противоположные четности. Равенство массы и времени жизни двух частиц, казалось бы различных, было "заманчивой загадкой". Два теоретика — Ли и Янг, — которые "над нею голову ломали и чудеса подозревали", осмелились задать вопрос: "А что если m и 0 одна и та же частица, способная распадаться по двум различным схемам? (В одном знаменитом детективе из пары близнецов один — убийца, а другой — порядочный человек. И герой раскрывает тайну, догадавшись, что близнецы не существуют и что убийца и порядочный человек — одна и та же личность.) Ли и Янг рассмотрели все существующие опытные данные, на которых была основана гипотеза о сохранении четности в слабых взаимодействиях и убедились, что ни одно из них не противоречило нарушению четности. Задумали и наскоро провели два различных эксперимента, которые доказали, что в слабых взаимодействиях четность действительно нарушается и притом максимально. Последнее означает, что члены, нарушающие, и члены, сохраняющие четность, имеют одинаковый вес во взаимодействии. И круг замкнулся: экспериментальное открытие частиц m и в — теоретическая гипотеза Ли и Янга — экспериментальное доказательство нарушения четности. Для анекдота расскажу, что наш дорогой Паули прозевал еще одну прекрасную возможность промолчать, предсказав, что опыт покажет, что четность не нарушается.
Могу поразить господина Тома, да и не только его, заявив, что теоретическая физика не является точным синонимом математической физики. Безусловно, на конечном этапе теория выражается математически, но иногда (не всегда, конечно) это вспомогательный процесс, после того, как идея была
И есть ли более прекрасный пример теоретической физики, чем дискуссия, в которой Эйнштейн предлагает один за другим целый ряд "мысленных" (gedanken) экспериментов, чтобы доказать несостоятельность квантовой теории, и где каждый раз Бор обнаруживает изъян в его рассуждениях, вершиной которых является недосмотр Эйнштейном смещения частоты световой волны в гравитационном поле.
*После того как я стал членом нашей академии наук, несколько иностранных академий обратили на меня свое благосклонное внимание. В 1974 году я был избран почетным членом Американской академии гуманитарных и точных наук (American Academy of Arts and Sciences). В 1977 году меня выбрали иностранным членом Национальной академии США (US National Academy). В 1981 году я был выбран в члены Ватиканской академии (Pontifical Academy). Канцлер академии (что не то же, что президент), милейший иезуит отец ди Ровазенда, пригласил меня представить (до выборов) очерк своих научных заслуг, нечто вроде Notice, которую я сочинил девять лет тому назад для нашей академии. Я нашел, что теперь слишком стар для такого рода упражнений и отказался это сделать. Я просил академию видеть в моем отказе знак не гордости, а смирения. Я написал любезному отцу, что "если мои труды для того, чтобы привлечь внимание академии, нуждаются в рекламе от меня самого, это означает, что они его недостойны, и что мне не место среди вас". Мое "смирение", очевидно, не слишком покоробило членов академии, потому что они меня выбрали. В 1981 году я был в саббатическом отпуске в Оксфорде, когда из Ватикана пришло приглашение принять участие в пленарной сессии академии, которая оплачивала все расходы на поездку для Сюзан и для меня. Во время сессии предполагалась аудиенция Святого Отца, что вызвало радостное волнение у моей католички Сюзан. В лондонском аэропорту нас ожидало печальное известие. Персонал Alitalia бастовал, и казалось невозможным попасть вовремя на папскую аудиенцию. Сюзан была очень огорчена. Наконец, поздно вечером объявили единственный рейс в Палермо. С грустью в сердце мы отправились в Палермо. Только чудом могли бы мы попасть в Ватикан на папскую аудиенцию, назначенную на следующий день в двенадцать часов дня. И чудо произошло! Не успели мы усесться, как по радио объявили, к великому гневу всех пассажиров, направлявшихся в Сицилию: "Этот рейс будет в Рим".
В октябре 1986 года праздновали пятидесятилетие Ватиканской академии и было запланировано несколько кратких докладов. Мне предложили прочесть, в десять или пятнадцать минут, доклад на тему "Куда идет физика?" (Where to, Physics?), своего рода "Камо грядеши", для которого требовался "горизонтальный" физик. Я счел менее рискованным занятием "предсказывать" прошлое, и назвал свой краткий доклад "Откуда идет физика" (Where from, Physics?). И повел свое предсказание весьма произвольно — от 1945 года. Вот этот доклад, который не слишком перекрывается с тем, что я рассказал в своих дебатах с Томом.
*" Революция квантов и революция, спровоцированная теорией относительности, были в прошлом; открытие позитрона увенчало их союз; строение атомов, в котором крохотные ядерные магнитные моменты играли ничтожную роль, названную очень подходяще сверхтонкой структурой, не хранило больше своих тайн. Теория, называемая квантовой электродинамикой, давала удовлетворительные результаты в любых вычислениях атомной физики в первом порядке, но вела, к сожалению, к бессмысленным бесконечностям при попытках улучшить ее точность. Физика твердого тела, развитая в рамках квантовой теории, объясняла электрическую и тепловую проводимость, но сверхпроводимость еще оставалась тайной. Существующая теория фазовых переходов казалась удовлетворительной, за некоторыми исключениями, которые считались маловажными. Оптика стала классической наукой, т. е. мертвой. Ядерная физика познала свои первые успехи, восхищающие или ужасающие. Знали про нейтрон и про ядерное деление, гипотеза нейтрино вернула веру в сохранение энергии. Юкава объяснил ядерные силы обменом между нуклонами тяжелыми частицами, которые, как казалось, были обнаружены в космических лучах и прозваны мезотронами. Сохранение четности стало догмой. Гигантские или казавшиеся такими, циклотроны и бетатроны ускоряли протоны, дейтроны, альфа-частицы и электроны до "баснословных" энергий порядка сотен МэВ. Наконец "гигантские" компьютеры, тгоявившиеся во время войны для военных целей, могли проделывать сотни операций в секунду и были ограничены только загромождением, охлаждением и частыми авариями электронных ламп, на которых они работали. Но ситуация менялась и быстро. В течение последних сорока лет во всех перечисленных выше областях науки теория и эксперимент быстро двигались вперед, стимулируя друг друга, разрабатывая новые орудия и улучшая старые. В атомной физике новая техника коротких волн, унаследованная от радара, позволила обнаружить в тонкой структуре атома водорода аномалию малых размеров, но громадного значения, так как теория этой структуры считалась незыблемым оплотом союза квантов и относительности. В этой аномалии, вместе с другой такого же порядка в магнитных свойствах электрона, скрывался ключ к непонятным и невыносимым бесконечностям квантовой электродинамики. Ободренные экспериментом теоретики осмелились, наконец, вычитать одну бесконечность из другой и таким путем извлекать конечные результаты, соответствующие наблюдаемым аномалиям. Отсюда вышла теория ренормализации, которая затем распространилась на другие области теоретической физики. Изобрели диаграммы, с помощью которых велись вычисления, прежде безнадежные, иногда очень отдаленные от квантовой электродинамики. Крошечные ядерные моменты, возбужденные надлежащим образом, испускали сигналы, наблюдение которых (под названием ядерный магнитный резонанс, или ЯМР) обратилось в одно из самых "проницательных" орудий для изучения свойств сплошной материи, позже биологических молекул, и, наконец, дало ЯМР-томографию, которая видит насквозь сердца и чресла людей. Физика твердого тела, в особенности изучение так называемых полупроводников, привела к самой фантастической революции нашего времени, через изобретение транзистора и его наследника микроскопического "чипса", которые умножили возможности компьютеров во много миллионов раз. Решили загадку сверхпроводимости и обнаружили одновременно новую породу сверхпроводников. Теория хорошо объяснила и практика широко использовала их технические качества для реализации гораздо более сильных магнитных полей при несравнимо меньшем расходе электрической энергии.
Совсем недавно открыли совершенно новую породу сверхпроводников с критической температурой выше жидкого азота, свойства которых еще не поняты основательно до сих пор (1988 год). Оптику воскресили сперва через остроумную комбинацию поляризованного света и радиочастотных полей, но еще больше благодаря изобретению лазера, который скоро научились перестраивать, что произвело революцию в спектроскопии и создало новую науку — нелинейную оптику. Применение лазера в голографии, офтальмологии и других областях медицинской практики, и конечно, увы, к вооружению, бесконечны. Открыли частицу Юкавы, которая оказалась не той, что думали; доказали реальность нейтрино и открыли, что в слабых взаимодействиях догма сохранения четности нарушалась, причем очень сильно. Энергия ускорителей увеличилась на три порядка, создавая целый рой эфемерных частиц, которые с трудом укладывались в теоретические схемы. Обратимость времени в нашей жизни нарушается повседневно. На микроскопической шкале она была догмой, как и четность, но тоже нарушаемой, хотя гораздо слабее. Появились изощренные теории, которые намеренно отказывались от попыток описать реальность с какой-либо точностью и которые для неспециалиста, пишущего эти строки, могли быть выражены утверждением "все содержится во всем".