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
вычислившим величину лэмбовского зрушення, став Ганс Беті, уже відомий своїми роботами з ядерної фізики, у тім
числі описом в 1930 р. тих ланцюжків ядерних реакцій, які дозволяють зіркам світитися. Ґрунтуючись на
ідеях, що циркулювали на конференції, Беті у вагоні поїзда, що відвозив його додому, зробив грубе обчислення величини
того зрушення, що виміряв Лэмб. Беті ще не володів по-справжньому ефективною технікою обчислень, що включає
позитрони й враховуючий інший ефекти спеціальної теорії відносності, так що виконана в поїзді робота в
многом додержувалася ідей Оппенгеймера сімнадцятилітньої давнини. Різниця полягала в тім, що в той момент, коли в
обчисленнях виникли нескінченності, Беті просто відкинув внесок в енергетичне зрушення, обумовлений випущенням і
поглинанням фотонів більших енергій (він зовсім довільно обмежив енергії фотонів величиною, еквівалентної
масі електрона). У результаті Беті одержав кінцевий результат, оказавшийся в задовільній згоді з
вимірами Лэмба. Підкреслимо, що саме це обчислення міг би прекрасно зробити й Оппенгеймер в 1930 р., але
потрібні були експериментальні дані, що вимагали свого негайного пояснення, і наснага ідеями,
носившимися в повітрі на конференції в Шелтер Айленде, щоб підштовхнути когось до доведення роботи до кінця.
Незабаром фізики зробили більше акуратне обчислення лэмбовского зрушення86, що включало процеси з позитронами й
інші релятивістські ефекти. Важливість цих розрахунків була не стільки в тім, що вийшов більше акуратний результат,
а в тім, що була вирішена проблема бесконечностей; виявилося, що все нескінченності благополучно скорочуються без
усякого довільного відкидання внесків віртуальних фотонів високих енергій.
Як говорив Ницше, «все те, що нас не вбиває, робить нас сильніше»1871. Проблеми бесконечностей майже загубили
квантову електродинаміку, але потім вона була врятована завдяки ідеї скорочення бесконечностей за допомогою
перевизначення або перенорми-
3) Ледве більш точно, включення процесу з позитроном приводить до того, що сума по енергіях поводиться
як сума ряду 1 + 1/2 + 1/3 +..., а не як сума 1+2 + 3 + 4 + ... Обидві суми нескінченні, але одна ледве в
меншого ступеня, чим інша, у тому розумінні, що потрібно менше зусиль зрозуміти, що з нею робити.
91
ровки маси й заряду електрона. Однак для того, щоб можна було вирішити проблему бесконечностей зазначеним
способом, необхідно, щоб вони виникали в процесі обчислень у невеликому числі строго певних випадків,
відповідному обмеженому класу спеціальних простих квантових теорій поля. Такі теорії називаються
перенормованими. Найпростіша версія квантової електродинаміки перенормована в зазначеному змісті, однак будь-яке
найменша зміна руйнує ця властивість і приводить до такого варіанта теорії, коли нескінченності не можуть бути
скорочені шляхом перевизначення констант. Таким чином, квантова електродинаміка не тільки математично
задовільна й погодиться з експериментом, але й містить у самій собі пояснення своєї структури: будь-яке
невелика зміна в теорії приводить не тільки до розбіжності з досвідом, але до взагалі абсурдних результатів -
нескінченним значенням експериментально добре певних величин.
Пророблені в 1948 р. обчислення лэмбовского зрушення були жахливо складними. Справа в тому, що хоча обчислення й
включали позитрони, але саме зрушення представлялося у вигляді суми доданків, кожне з яких порушувало вимоги
спеціальної теорії відносності, так що тільки остаточна відповідь була з нею сполучимо. Тим часом Ричард
Фейнман, Джулиан Швингер і Синитиро Томонага незалежно розробили набагато більше прості методи обчислень, на
кожному кроці сумісних з теорією відносності. Нова техніка була використана для інших обчислень, багато хто з
яких виявилися у вражаючій згоді з досвідом. Наприклад, електрон створює в навколишньому просторі
крихітне по величині магнітне поле. Це поле було спочатку обчислене в 1928 р. Дираком за допомогою створеної
їм релятивістської квантової теорії електрона. Відразу ж після конференції в Шелтер Айленде Швингер опублікував
результати наближених обчислень зміни величини напруженості магнітного поля електрона, пов'язаного з
процесами випущення й зворотного поглинання віртуальних фотонів. З тих пор це обчислення неодноразово
уточнювалося88. Сучасний результат полягає в тому, що за рахунок процесів випущення й наступного поглинання
фотонів і ряду інших процесів магнітне поле електрона збільшується в 1,00115965214 разів у порівнянні зі старим
пророкуванням Дирака, не враховуючі ці процеси (помилка наведеного значення дорівнює ±3 в останньому знаку). Саме
у той час, коли Швингер зробив свої обчислення, група И. Раби в Колумбійському університеті експериментально
установила, що магнітне поле електрона насправді трохи більше старого дираковского значення, причому на
величину, передвіщену Швингером. Останній експериментальний результат такий: магнітне поле електрона більше
дираковского значення в 1,001159652188 разів (помилка ±4 у послід-
92
ньому знаку). Така кількісна згода теорії й експерименту є, імовірно, самим вражаючої у всієї
сучасній науці. Не дивно, що після таких успіхів квантова електродинаміка в її найпростішої перенормованої
версії стала сприйматися як правильна теорія фотонів і електронів. І все-таки, незважаючи на експериментальні
підтвердження теорії й навіть незважаючи на те, що все нескінченності в ній скорочувалися, якщо тільки правильно з ними
звертатися, той факт, що ці нескінченності взагалі виникають, викликав безперестанне бурчання із приводу застосовності
квантової електродинаміки й подібних теорій. Зокрема, Дирак завжди порівнював процедуру перенормировки з
замітанням сміття під килим. Я не погоджувався з Дираком і вів з ним дискусії на конференціях у Корал Гейбл і Лейк
Констанс. Облік різниці між голими масою й зарядом і їхніми вимірюваними значеннями - це не просто трюк,
що дозволяє позбутися від бесконечностей. Подібну процедуру ми зобов'язані робити й тоді, коли всі величини
кінцеві. Тут немає нічого довільного, що береться зі стелі, це просто питання коректного визначення того, що ж
ми в дійсності вимірюємо в лабораторії, коли намагаємося визначити на досвіді масу й заряд електрона. Я не бачив
нічого жахливого в нескінченних значеннях голі маси й заряду89, якщо тільки остаточні результати для фізичних
величин виявляються кінцевими й однозначними, так ще й погодяться з досвідом. Мені здавалося, що настільки успішна
теорія, як квантова електродинаміка, повинна бути більш-менш правильної, хоча, можливо, і сформульованої не
найкращим образом. Дирак залишався непохитним. Я дотепер не згодний з його відношенням до квантового
електродинаміці, хоча не думаю, що він був просто упертюхом, вимога, щоб теорія була повністю кінцевої,
[...]
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]