страница №1
ЛЕКЦИЯ 7В ПОИСКАХ НОВЫХ ЗАКОНОВ
Строго говоря, то, о чем я собираюсь говорить в этой лекции, нельзя назвать характеристикой законов физики. Когда мы рассуждаем о характере физических законов, мы можем по крайней мере предполагать, что говорим о самой природе. Но теперь мне хочется поговорить не столько о природе, сколько о нашем отношении к ней. Мне хочется рассказать вам о том, что мы считаем сегодня известным, что еще предстоит отгадать, и о том, каким образом угадывают законы в физике. Кто-то даже предложил, что лучше всего, если я по мере моего рассказа мало-помалу объясню вам, как угадать закон, а в заключение открою для вас новый закон. Не знаю, удастся ли мне это сделать.
Прежде всего я хочу рассказать вам о нынешнем состоянии физики, о том, что в ней сейчас известно. Вы могли бы подумать, что все это я уже вам рассказал, так как в предыдущих лекциях я изложил вам все основные известные законы. Но всякий закон должен быть законом для чего-то: закон сохранения энергии говорит об энергии чего-то, законы квантовой механики - это законы квантовой механики чего-то - и все эти законы, вместе взятые, еще не говорят нам о том, какова же природа, о которой здесь столько говорилось. Поэтому мне хочется сейчас рассказать вам немного о том материале, которым движут все эти законы. Прежде всего о материи: как это ни удивительно, вся материя одинакова.
Известно, что материя, из которой сделаны звезды, такая же, как и материя, из которой сделана Земля. Характер света, испускаемого звездами, дает нам, так сказать, отпечатки пальцев, по которым можно установить, что там атомы того же типа, что и на Земле. Оказывается, и живая, и неживая природа образуется из атомов одинакового типа. Лягушки сделаны из того же материала, что и камни, но только материал по-разному использован. Все это упрощает нашу задачу. У нас есть атомы и ничего больше, а атомы однотипны, и однотипны повсюду.
Таблица 3
Электроны
Фотоны
Гравитоны
Нейтрино Нейтроны
Протоны
+ античастицы Все атомы, по-видимому, имеют одинаковую структуру. У них есть ядра, окруженные электронами. Можно составить список частиц, из которых, как мы думаем, построен наш мир и о которых, по нашему мнению, мы знаем (табл. 3).
Прежде всего в нем стоят электроны - частицы, составляющие внешнюю оболочку атома. Затем имеется ядро, но на сегодня считается, что оно само состоит из частиц двух различных типов, называемых нейтронами и протонами. Вот вам и еще две частицы. Мы глядим на звезды и видим атомы, они испускают свет, а сам свет состоит из частиц, называемых фотонами. В самом начале наших лекций мы говорили о тяготении, гравитации, и если только квантовая теория верна, то и у гравитации должны быть какие-то волны, ведущие себя и как частицы. Такие частицы называют гравитонами. А если вы не верите в их существование, называйте их просто гравитацией. Наконец, я уже упоминал о b -распаде, во время которого нейтрон может распадаться на протон, электрон и нейтрино, вернее антинейтрино. Так что у нас есть еще одна частица - нейтрино. Кроме всех этих частиц у нас есть еще, конечно, и все соответствующие античастицы. Это короткое замечание сразу без каких-либо затруднений удваивает число известных нам частиц.
При помощи только что перечисленных частиц можно объяснить все явления, протекающие при низкой энергии, и даже все обычные явления в любой части Вселенной. Но когда в дело вступают частицы с очень высокой энергией, это уже неверно, и в лабораторных условиях нам удалось воспроизвести некоторые очень странные явления. Если же пренебречь такими исключительными случаями, то все обычные явления могут быть объяснены взаимодействием и движением перечисленных выше частиц. Например, сама жизнь, по общему мнению, может быть, в принципе, объяснена движением атомов, а эти атомы состоят из нейтронов, протонов и электронов.
Я должен сразу же оговориться - когда мы говорим, что что-то, в принципе, может быть объяснено таким-то образом, мы имеем в виду следующее: если бы нам удалось во всем разобраться до конца, то оказалось бы, что для понимания явлений живой природы не нужно открывать никаких новых законов физики. Еще один пример. Тот факт, что звезды испускают энергию, солнечную или звездную, также можно объяснить ядерными реакциями между этими частицами. По крайней мере так считается. При помощи такой модели удается правильно описать всякого рода подробности поведения атома, насколько только это нам известно сегодня. Я могу даже утверждать, что среди известных на сегодня явлений нет такого, относительно которого мы были бы уверены, что его нельзя объяснить подобным образом или хотя бы, что такое объяснение связано с решением какой-то глубокой загадки.
Но так было не всегда. Например, известны явления так называемой сверхпроводимости, когда металл при очень низких температурах проводит электричество, не оказывая ему какого-либо сопротивления. С первого взгляда совсем не было очевидным, что это явление есть следствие уже известных законов. Но теперь, когда в нем достаточно внимательно разобрались, оказалось, что и в самом деле оно полностью объясняется на основе уже имеющихся знаний. Сейчас мы знаем о других явлениях, например о явлении телепатии, которые нам не удается объяснить на основании имеющихся у нас физических знаний. Однако существование такого рода явления пока еще не установлено с полной достоверностью, и мы не можем гарантировать его существования. Если этот факт удалось бы подтвердить экспериментальным путем, это означало бы, что наша физика неполна, и вот почему физики так заинтересованы в том, чтобы выяснить, возможно ли такое восприятие или нет. Сейчас многие опыты показывают, что такого восприятия нет. Аналогичное положение с астрологией. Если от звезд действительно зависит, в какой день лучше идти к зубному врачу, - а именно так выглядит наша американская астрология, - то наши представления о физике неверны, ибо мы не представляем себе механизма, построенного, вообще говоря, на взаимодействии перечисленных выше частиц и объясняющего такое влияние. Этим и объясняется тот скептицизм, с которым ученые относятся к подобным теориям.
Правда, в случае гипноза с первого взгляда дело выглядело так, как будто такое объяснение невозможно. Но так было только, пока это явление оставалось недостаточно изученным. Ныне мы знаем о нем намного больше, и теперь считается вполне возможным, что гипноз можно объяснить обычными, хотя пока еще и не известными физиологическими процессами. Очевидно, что для его объяснения не понадобится какой-то силы нового типа.
Сегодня, когда наша теория всего, что происходит вне ядра атома; выглядит довольно точной и полной и позволяет нам, хотя, может быть, и не сразу, рассчитывать все с той же точностью, с какой мы можем проводить измерения, мы намного меньше знаем о силах взаимодействия между нейтронами и протонами, образующими ядро, и недостаточно хорошо понимаем их характер. Я хочу сказать, что на сегодня мы не понимаем характера взаимодействий между нейтронами и протонами достаточно хорошо для того, чтобы я смог, если вы меня об этом попросите, предоставив достаточно времени и достаточно вычислительных машин, точно определить все энергетические уровни углерода или решить другую задачу того же типа. Наших знаний для этого недостаточно. Мы умеем решать аналогичную задачу для энергетических уровней внешних электронов атома, а для ядра - нет, так как мы еще недостаточно понимаем природу внутриядерных сил.
Для того чтобы лучше разобраться в этих силах, были поставлены специальные опыты по изучению явлений при очень высоких энергиях. Суть этих опытов заключается в том, чтобы сталкивать между собой нейтроны и протоны с очень большой энергией и наблюдать возникающие при этом необычные явления, причем мы надеемся, что изучение этих необычных явлений даст нам лучшее понимание взаимодействия между нейтронами и протонами. Но эти эксперименты лишь открыли сосуд Пандоры. Хотя мы только хотели получше разобраться в характере сил, действующих между нейтронами и протонами, мы, с силой сталкивая эти частицы, обнаружили много новых частиц. Пытаясь лучше разобраться во внутриядерных силах, мы выловили более полусотни новых частиц, которые можно отнести в тот же столбец (см. табл. 4), что и нейтрон и протон, так как они взаимодействуют с этими частицами и имеют отношение к взаимодействию между ними. Кроме того, пока наши сети вылавливали всю эту мелочь, в них попалась пара частиц, не имеющих отношения к проблеме внутриядерных сил.
Таблица 4
Электроны
Фотоны
Гравитоны
Нейтрино
m -мезоны (мюоны)
m -нейтрино Нейтроны
Протоны
(+ более 4-х десятков
других частиц) + все античастицы Одну назвали m -мезоном или мюоном, а другую - нейтрино, причем вторая всегда сопровождает первую. Имеется два типа нейтрино: нейтрино одного типа всегда сопутствует электрону, а нейтрино другого типа - m -мезону. Между прочим, к нашему крайнему удивлению, все законы поведения пары (и-мезони нейтрино сейчас уже изучены настолько полно, насколько об этом можно судить на современном уровне экспериментальной техники, и оказались в точности такими же, как и для пары электрон и нейтрино, за единственным исключением: масса m -мезона оказалась в 207 раз больше массы электрона. Но это единственная разница между ними, и это довольно странно.
Четыре дюжины новых частиц образуют пугающий список, а ведь нужно еще помнить и об античастицах. У новых частиц разные названия: мезоны, пионы, каоны, лямбды, сигмы... все это ничего вам не скажет, для четырех дюжин новых частиц пришлось придумать немало новых названий! Но оказалось, что частицы образуют семейства, и это несколько облегчает наше положение. На самом деле срок жизни некоторых из этих так называемых частиц настолько мал, что до сих пор идут споры, возможно ли в действительности хотя бы установить их существование. Но в эти споры я не хочу здесь вдаваться.
Для того чтобы вы получили представление о том, что такое семейство элементарных частиц, рассмотрим случай нейтрона и протона. Нейтрон и протон имеют одинаковую массу с точностью до десятой процента или около того. Первая из них в 1836 раз, а вторая в 1839 раз тяжелее электрона. Еще замечательнее, что внутриядерные силы, большие силы взаимодействия внутри ядра между двумя протопами, оказались такими же, как и силы взаимодействия между протоном и нейтроном или нейтроном и нейтроном. Другими словами, изучая лишь сильные внутриядерные взаимодействия, нельзя отличить протон от нейтрона. Получается еще один закон симметрии: нейтрон можно заменить на протон - и ничего не изменится - при условии, что мы говорим только о сильных взаимодействиях. Но если нейтрон действительно заменить на протон, то разница будет огромная, так как протон несет электрический заряд, а нейтрон - нет. Посредством электрических измерений вы сразу обнаружите разницу между протоном и нейтроном, так что наша симметрия, позволяющая заменить протон на нейтрон, на самом деле лишь приближенная симметрия. Она действительно существует для сильных ядерных взаимодействий, но в глубоком физическом смысле ее нет, поскольку она не охватывает электрических явлений. Такую закономерность мы называем слабой симметрией, и нам приходится разбираться со слабыми симметриями.
Теперь, когда семейства элементарных частиц уже построены, известно, что подстановки типа замены нейтрона протоном возможны и для более широкого круга частиц. Но разница при такой замене оказывается еще большей. Утверждение, что нейтрон всегда можно заменить протоном, верно лишь приближенно, оно неверно с точки зрения теории электричества, но более широкий круг подстановок, которые оказались возможными, обеспечивает еще худшую симметрию. Тем не менее все эти слабые симметрии позволили организовать элементарные частицы в отдельные семейства и благодаря этому найти место для недостающих частиц и открыть некоторые новые частицы.
Игра такого рода - грубое угадывание отношений, определяющих некоторое семейство, - характерна для первых схваток с природой, предваряющих открытие какого-то действительно глубокого и очень важного закона. Прошлое науки дает много примеров тому. Игрой именно такого рода было открытие Менделеевым периодической таблицы элементов. Это было лишь первым шагом. Полное понимание причин такого строения таблицы Менделеева пришло много позднее, с теорией атома. Точно так же наши знания о ядерных энергетических уровнях были организованы Марией Майер (Мария Гёпперт-Майер (1906-1972) - американский физик, получившая в 1963 г. Нобелевскую премию, с 1960 г.- профессор физики в Калифорнийском университете) и Йенсеном (Ханс Даниель Йенсен (1907-1973) - немецкий физик, лауреат Нобелевской премии за 1963 г., с 1949 по 1968 гг.-директор Института теоретической физики при Гейдельбергском университете) в их так называемой оболочечной модели ядра. Точно такую же игру представляет собой и вся физика в целом, где для упрощения мы прибегаем к приближениям и гипотезам.
Кроме всех этих частиц у нас имеются все те принципы, о которых мы говорили раньше: принципы симметрии и относительности, принцип, согласно которому все это должно подчиняться законам квантовой механики, да еще вытекающие из теории относительности соображения о локальном характере законов сохранения.
Но если собрать все эти принципы вместе, мы обнаружим, что их слишком много. Они несовместимы друг с другом. Если взять квантовую механику, теорию относительности, утверждение, что все должно быть локальным, и еще несколько молчаливых предположений, то мы придем к противоречию, потому что, вычисляя некоторые величины, получим для них бесконечно большие значения. А кто может утверждать, что бесконечность согласуется с реальностью природы?
Что же касается молчаливых предположений, о которых я упомянул, то к ним мы настолько привыкли, что не хотим или не можем понять их истинное значение. Вот вам пример. Если вы подсчитаете вероятность ряда взаимно исключающих событий, скажем, 50% за то, что случится это, 25% за то, что случится то, и т.д., то в сумме они должны составлять единицу. Мы считаем, что если сложить все вероятности, то должна получиться 100%-ная вероятность. Это кажется разумным, но именно с разумного и начинаются все наши беды. Другой пример: предположение о том, что энергия всегда должна быть положительной и не может стать отрицательной. И еще одно предположение, которое, по-видимому, принимается еще до того, как мы приходим к противоречиям, это так называемый принцип причинности, согласно которому, грубо говоря, следствие никогда не может предшествовать причине. Пока еще никто не пытался построить теорию, в которой не было бы предположения о полной вероятности или не учитывался бы принцип причинности и которая согласовалась бы с квантовой механикой, теорией относительности, принципом локальности и т. п. Поэтому мы просто не можем знать, какое же именно из наших допущений вызывает наши трудности и заставляет получать бесконечно большие значения. Вот это была бы настоящая задача! Правда, как оказалось, с помощью довольно грубых приемов все эти бесконечности удается замести под ковер, так что мы все еще в состоянии делать необходимые нам расчеты.
Вот так обстоит дело сейчас. А теперь я собираюсь поговорить о том, как открывают новые законы.
Вообще говоря, поиск нового закона ведется следующим образом. Прежде всего о нем догадываются. Затем вычисляют следствия этой догадки и выясняют, что повлечет за собой этот закон, если окажется, что он справедлив. Затем результаты расчетов сравнивают с тем, что наблюдается в природе, с результатами специальных экспериментов или с нашим опытом, и по результатам таких наблюдений выясняют, так это или не так. Если расчеты расходятся с экспериментальными данными, то закон неправилен.
В этом простом утверждении самое зерно науки. Неважно, насколько ты умен, кто автор догадки, известен он или нет - если теория расходится с экспериментом, значит теория неверна. Вот и все.
Верно, конечно, что для того чтобы окончательно убедиться в неверности теории, нужна небольшая дополнительная проверка. Ведь кто бы ни был экспериментатор, всегда есть возможность, что о результатах опытов было неправильно сообщено, что в эксперименте что-то было упущено, что здесь есть какая-то грязь или еще что-то, или что тот, кто проводил расчеты эффектов, ошибся в ходе анализа, хотя бы это и был сам автор гипотезы. Все эти замечания совершенно естественны, и поэтому, когда я говорю: "Поскольку расчеты не согласуются с опытом, предложенный закон неверен", - я считаю, что правильность эксперимента и расчета была установлена и после всестороннего анализа мы убедились в том, что наблюдаемые явления действительно логически следуют из принятой нами гипотезы и что она действительно расходится с предельно тщательно выверенным экспериментом.
У вас может сложиться не совсем правильное представление о науке. Вам может показаться, будто мы все время строим догадки, а затем проверяем их на экспериментах, так что эксперименту отводится подчиненная роль. Но на самом деле экспериментаторы вполне самостоятельные люди. Они любят экспериментировать даже до того, как кто-нибудь что-нибудь придумает, и очень часто работают в таких областях, в которых теоретики заведомо не делали еще никаких догадок. Например, мы можем знать много законов, но мы не знаем, справедливы ли они на самом деле при очень высоких энергиях, так как предположение об их справедливости - всего лишь хорошая гипотеза.
Экспериментаторы пытаются ставить опыты с высокими энергиями, и время от времени они сталкиваются с трудностями - то, что мы считали правильным, оказывается неверным. Таким образом, эксперименты могут привести к неожиданным результатам, а это заставляет нас выдвигать новые догадки. В качестве одного примера неожиданного экспериментального результата можно указать на открытие m -мезона и нейтрино, о существовании которых никто не предполагал до тех пор, пока они не были открыты, и даже теперь никто не знает, как можно было бы догадаться о существовании этих частиц.
Конечно, вы понимаете, что такой метод позволяет только опровергнуть любую определенную теорию. Если только у нас есть какая-нибудь теория, какая-нибудь настоящая гипотеза, при помощи которой мы можем обычными методами предсказать результат эксперимента, то этого, вообще говоря, достаточно, чтобы покончить с этой теорией, как бы хороша она ни была. У нас всегда есть возможность опровергнуть теорию, но, обратите внимание, мы никогда не можем доказать, что она правильна. Предположим, что вы выдвинули удачную гипотезу, рассчитали, к чему это ведет, и выяснили, что все ее следствия подтверждаются экспериментально.
Значит ли это, что ваша теория правильна?
Нет, просто-напросто это значит, что вам не удалось ее опровергнуть.
В будущем вы смогли бы рассчитать более широкий круг следствий, провести более широкие экспериментальные исследования и выяснить, что ваша теория неверна. Вот почему у законов типа законов движения планет Ньютона такая долгая жизнь. Ньютон угадал закон всемирного тяготения, вывел из него самые различные следствия для Солнечной системы, сравнил их с результатами наблюдений - и потребовалось несколько столетий, прежде чем было замечено незначительное отклонение движения планеты Меркурий от предсказанного. На протяжении всех этих лет теория Ньютона не была опровергнута, и временно ее можно было считать верной. Но ее правильность никогда нельзя было доказать, потому что уже завтра эксперимент, может быть, покажет вам неправильность того. что вам казалось верным еще сегодня. Можно только удивляться тому, что нам удается придумывать теории, которые выдерживают натиск эксперимента столь длительное время.