Пошук остаточних законів природи

Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.

Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів

Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися

Остаточна теорія

одержати для сили тяжіння щось схоже на закон зворотних квадратів, для того, щоб його теорія відтворювала успіхи теорії Ньютона. Нарешті, він знав, що потрібно якось розібратися із залежністю гравітаційної сили від маси. Лише розглядаючи всю остаточно завершену теорію в цілому, можна сказати, що ВІД пояснила закон зворотних квадратів або пропорційність гравітаційної сили масі тіла, але однаково це судження залишається справою смаку й інтуїції. Адже воно насправді зводиться до твердження, що, якщо змінити теорію Эйнштейна так, щоб допустити інший закон замість закону зворотних квадратів або допустити непропорційність сили тяжіння масі тіла, то теорія стане нестерпно потворної. Отже, висловлюючи судження про значення тих або інших даних, ми знову використовуємо эстетические оцінки й наша загальна теоретична спадщина. * * * Моя наступна розповідь присвячена квантовій електродинаміці - квантово-механічної теорії взаємодії електронів і світла. У певному змісті це дзеркальне відбиття попередньої розповіді. Протягом сорока років загальна теорія відносності розглядалася як правильна теорія тяжіння, незважаючи на вбогість свідчень на її користь, і відбувалося це тому, що теорія була невідхильно прекрасна. На противагу цьому квантова електродинаміка відразу ж знайшла підтвердження у величезній кількості експериментальних даних, але незважаючи на це двадцять років 1) Строго говорячи, це вірно тільки для повільно, що рухаються тіл, малих розмірів. Для тіл, що рухаються з великою швидкістю, сила тяжіння залежить також від їхнього імпульсу. Саме тому гравітаційне поле Сонця здатно відхиляти промені світла, тому що вони мають імпульс, але не масою. 86 до неї ставилися з більшою недовірою через внутрішні теоретичні протиріччя, які, здавалося, могли бути дозволені тільки дуже некрасивим образом. В 1926 р. в одній з перших робіт із квантової механіки, так званій «роботі трьох» (Dreimannerarbeit), авторами яке були Макс Борн, Вернер Гейзенберг і Паскуаль Йордан, ця теорія була застосована для опису електричного й магнітного полів. Удалося показати, що енергія й імпульс електричних і магнітних полів у промені світла поширюються згустками81, що ведуть себе як частки, і підтвердити, таким чином, справедливість ідеї Эйнштейна, висловленої ним в 1905 р., про частки світла - фотонах. Іншою головною складовою частиною квантової електродинаміки стала створена в 1928 р. теорія Поля Дирака. У первісній формі ця теорія показала, яким образом сполучити квантовомеханическое опис електронів мовою хвильових функцій з вимогами спеціальної теорії відносності. Одним з найважливіших наслідків теорії Дирака було те, що для кожного сорту заряджених часток начебто електрона повинна існувати частка тієї ж маси, але із протилежним за знаком зарядом, - так звана античастинка. Античастинка до електрона була відкрита в 1932 р. і називається позитроном. Наприкінці 20-х - початку 30-х рр. квантова електродинаміка була використана для розрахунку безлічі фізичних процесів (наприклад, розсіювання фотона при зіткненні з електроном, розсіювання одного електрона іншим, аннигиляция або народження електрона й позитрона), причому результати розрахунків у цілому перебували в прекрасній згоді з експериментом. Проте до середини 1930-х рр. взяла гору точка зору, що квантову електродинаміку можна розглядати всерйоз тільки як деяке наближення, справедливе лише для реакцій за участю фотонів, електронів і позитронів досить малих енергій. Труднощі, з якої зштовхнулися вчені, була несхожа на звичайні труднощі, про які розповідають у популярних працях по історії науки, коли виникають протиріччя між теоретичними пророкуваннями й експериментальними даними. У цьому випадку істотне протиріччя виникло усередині самої фізичної теорії. Це була проблема бесконечностей. Існування цієї проблеми в різних формах відзначалося Гейзенбергом і Паули, а також шведським фізиком Айваром Валлером, але найбільше ясно й тривожно вона пролунала в 1930 р. у роботі молодого американського фізика-теоретика Роберта Юлиуса Оппенгеймера. У цій роботі Оппенгеймер спробував використовувати квантову електродинаміку для розрахунку одного тонкого ефекту, пов'язаного з енергіями атомів. Електрон в атомі здатний випустити квант світла, фотон, потім якийсь час покрутитися по орбіті й знову поглинути цей фотон (схоже на гравця в американський футбол, 87 який підхоплює м'яч, кинутий їм самим же). Фотон ніколи не залишає межі атома, і ми можемо судити про його існуванні тільки побічно, по тім впливі, що він робить на такі властивості атома, як його енергія або створюване ним магнітне поле. (Такі фотони називаються віртуальними.) Відповідно до правил квантової електродинаміки, цей процес приводить до зрушення енергії атомного стану, причому величина його може бути представлена у вигляді суми нескінченного числа внесків82, кожний з яких відповідає кожному можливому значенню енергії віртуального фотона, що нічим не обмежена. Оппенгеймер виявив при обчисленні, що тому що у суму дають внесок доданки, що відповідають фотонам необмежено великої енергії, те й сама сума виявляється нескінченної, що в результаті приводить до нескінченно великого зрушення енергії атома2). Високі енергії відповідають малим довжинам хвиль; тому що ультрафіолетове світло має меншу довжину хвилі, чим видимий, виникнення такий нескінченності назвали ультрафіолетовою катастрофою. В 30-е й на початку 40-х рр. більшість фізиків сходилося в думці, що поява ультрафіолетової катастрофи в розрахунках Оппенгеймера й інших просто свідчить про те, що не можна довіряти існуючої теорії фотонів і електронів, якщо енергія цих часток перевищує кілька мільйонів електрон-вольтів. Сам Оппенгеймер гаряче відстоював таку точку зору. Почасти це було пов'язане з тим, що Оппенгеймер був одним з лідерів у вивченні космічних променів, высокоэнергичных часток, що проникають в атмосферу Землі з космосу. Дослідження того, як частки космічного випромінювання взаємодіють із атмосферою, указувало на дивне поводження часток високої енергії. Дійсно, чудності були, але вони не мали ніякого відношення до проблем застосовності квантової теорії електронів і фотонів, насправді незвичайні явища були свідченнями народження часток нового типу, які ми зараз називаємо мюонами. Але навіть після того, як в 1937 р. мюони були відкриті, однаково вважалося, що при спробі застосувати квантову електродинаміку до електронів і фотонів більших енергій відбувається щось не те. Проблему бесконечностей можна було б вирішити за допомогою грубої сили, просто ухваливши, що електрони можуть [...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]

У світі фізики



Наука та техніка


Наш спонсор

Надежные металлические двери. Изготовление деревянных дверей каталог - это очень выгодно.