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
випускати й поглинати тільки фотони, енергія яких нижче деякого граничного значення. Всі успіхи, досягнуті в
1930-е рр. квантовою електродинамікою в поясненні взаємодій електронів і фотонів, ставилися до процесів з
участю фотонів низьких енергій, так що ці успіхи могли бути збережені, якщо припустити, що
2) Аж ніяк не кожна сума нескінченного числа склада_ сама нескінченно велика. Наприклад, хоча сума 1
+ 1/2+ 1/3+ 1/4 + ... дійсно нескінченна, але сума 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + ... виявляється цілком
скінченною величиною.
88
граничне значення енергій фотонів досить велико, наприклад 10 мільйонів електрон-вольтів. При такому виборі
межі енергії віртуальних фотонів квантова електродинаміка пророкувала б дуже маленькі зрушення енергії
атомів. У той час ніхто ще не міг виміряти енергії атомів з необхідною точністю, щоб перевірити, існують або
ні ці крихітні зрушення енергії, так що питання про розбіжності з досвідом не виникав. (Насправді відношення до
квантовій електродинаміці було настільки песимістичним, що ніхто й не намагався обчислити величину цих зрушень.)
Занепокоєння у зв'язку з подібним рішенням проблеми бесконечностей виникало не через конфлікт із досвідом, а через того,
що пропонований вихід з положення був занадто довільний і занадто виродливий.
У фізичній літературі 1930-х і 1940-х рр. можна виявити безліч інших можливих, але наведено
рішень проблеми бесконечностей, включаючи навіть теорії, у яких нескінченності, пов'язані з випущенням і
наступним поглинанням фотонів, скорочувалися із внеском інших процесів, що мали негативну ймовірність.
Ясно, що поняття негативної ймовірності не має змісту; спроба ввести це поняття у фізику є міра розпачу,
ощущавшегося у зв'язку із проблемою бесконечностей.
Знайдене зрештою рішення проблеми бесконечностей, що з'явилося наприкінці 1940-х р.83, було значно більше
природним і зовсім не революційним. Ця проблема вийшла на передній план на початку червня 1947 р. під час
конференції, що проводилася в готелі «Бараняча голова» у Шелтер Айленде. Конференція була організована з метою
зібрати разом фізиків, готових після війни знову почати думати над фундаментальними проблемами. Трапилося так, що
ця конференція стала найбільш важливої із всіх послу знаменитої Сольвеевской конференції, що відбулася п'ятнадцятьма
роками раніше в Брюсселі, коли Эйнштейн і Бор вели битву титанів із приводу майбутнього квантової механіки.
Серед фізиків, що приймали участь у конференції в Шелтер Айленде, був Уиллис Лэмб, молодий експериментатор
з Колумбійського університету. Використовуючи мікрохвильову радарну технологію, розроблену під час війни, Лэмб
зумів саме перед початком конференції дуже точно виміряти один з ефектів84, що намагався ще в 1930 р.
розрахувати Оппенгеймер, а саме зрушення енергії атома водню завдяки випущенню й наступному поглинанню
фотона. Цей ефект відомий тепер за назвою лэмбовского зрушення. Проведені виміри самі по собі не мали
ніякого відношення до рішення проблеми бесконечностей, але спонукали фізиків знову спробувати вступити в сутичку з
цим завданням, щоб обчислити обмірюване значення лэмбовского зрушення. Знайдене тоді рішення проблеми визначило
розвиток фізики до наших днів.
89
Ряд теоретиків, що приймали участь у конференції в Шелтер Айленде, уже були наслышаны про результати Лэмба й
приїхали на конференцію з готовою ідеєю того, як можна було б обчислити лэмбовский зрушення, користуючись принципами
квантової електродинаміки й обійшовши при цьому проблему бесконечностей. Міркування були такі. Насправді той
зрушення енергії атома, що відбувається в результаті випущення й наступного поглинання фотонів, не є
безпосередньо спостережуваним; у дійсності єдиної спостережуваної в експерименті величиною є повна
енергія атома, що розраховується додаванням цього зрушення до тієї енергії, що обчислив ще в 1928 р. Дирак. Ця
повна енергія залежить від голої маси й голого заряду електрона, тобто від тих величин, які входять у рівняння теорії
до того, як ми починаємо розглядати проблеми випущення й наступного поглинання фотонів. Але адже вільні
електрони, так само як і електрони, що перебувають в атомах, увесь час випускають і знову поглинають фотони, що впливає на
масу й заряд електронів. Тому значення голі маси й заряду зовсім не рівні обмірюваним на досвіді значенням маси
і заряду електрона, які приводяться в таблицях елементарних часток. Насправді, щоб одержати спостережувані
(природно, кінцеві) значення маси й заряду електрона, потрібно зажадати, щоб голі маса й заряд були самі
нескінченно більшими. Таким чином, повна енергія атома представляється у вигляді суми двох доданків, кожне з
яких нескінченно велико: голої енергії, що нескінченна, тому що залежить від нескінченно більших по величині голих
маси й заряду, і зрушення енергії, обчисленого Оппенгеймером, що нескінченно великий, тому що в нього вносять вклад
віртуальні фотони як завгодно великої енергії. Виникає питання: чи може бути так, що дві ці нескінченності
скорочують один одного, приводячи до кінцевої сповненої енергії?85
На перший погляд відповідь здавалася негативним. Але Оппенгеймер дещо прогледів у своїх обчисленнях. Зрушення енергії
обумовлений не тільки внеском процесів, у яких електрон випускає й потім знову поглинає фотон, але й процесів, в
яких спонтанно, з вакууму, народжуються позитрон, фотон і інший електрон, а потім фотон поглинається при аннигиляции
позитрона й вихідного електрона. Насправді цей дивний процес обов'язково повинен бути включений в
обчислення, щоб остаточна відповідь для енергії атома залежав від його швидкості так, як цього вимагають закони
спеціальної теорії відносності. (Це один із прикладів, що ілюструють найважливіше твердження, багато років тому
доведене Дираком, що квантовомеханическая теорія електрона сумісна зі спеціальною теорією відносності,
тільки якщо в теорії на однакових правах розглядається й позитрон, античастинка до електрона.) Одним з теоретиків,
присутніх на конференції, був Віктор Вайскопф.
90
Ще в 1936 р. він обчислив внесок у зрушення енергії за рахунок процесу за участю позитронів і виявив, що цей внесок
майже скорочує ту нескінченність, що одержав Оппенгеймер 3). Тепер уже було не дуже важко догадатися, що якщо
урахувати процеси з позитронами й взяти до уваги різницю між голими масою й зарядом електрона і їх
спостережуваними значеннями, те все нескінченності в зрушенні енергії взаємно скоротяться.
Хоча Оппенгеймер і Вайскопф були присутні на конференції в Шелтер Айленде, все-таки першим теоретиком,
[...]
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]