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
аналогічно безлічі інших эстетических вимог, які завжди висуваються фізиками-теоретиками.
* * *
Моя третя розповідь присвячена розвитку й остаточному визнанню сучасної теорії слабких ядерних сил. В
повсякденного життя ці сили не так важливі, як електричні, магнітн або гравітаційні, але вони грають
істотну роль у ланцюжку ядерних реакцій, за рахунок яких у серцевинах зірок виділяється енергія й відбувається
утворення різних хімічних елементів.
Уперше слабкі ядерні сили виявилися в явищі радіоактивності, відкритому в 1896 р. Анри Беккерелем. В 1930-е
гг. стало зрозуміло, що в тім конкретному типі радіоактивності, що виявив Беккерель, а саме в бета-розпаді ядер,
слабка ядерна сила змушує нейтрон усередині ядра перетворюватися в протон, одночасно образуя електрон і ще одну
частку, відому зараз як
93
антинейтрино, які вилітають із ядра. Подібний процес не може відбуватися за рахунок сил інших типів. Сильна
ядерна сила, що втримує протони й нейтрони разом усередині ядра, і електромагнітна сила, що відштовхує протони
усередині ядра друг від друга, не здатні змінити тип цих часток. Тим більше це не може зробити гравітаційна сила.
Таким чином, спостереження перетворення нейтронів у протони або протонів у нейтрони свідчить про новий тип сил
у природі. Як треба з назви, слабкі ядерні сили багато слабкіше електромагнітних сил або сильних ядерних сил.
Це випливає, зокрема, з того, що ядерний бета-розпад відбувається дуже повільно - найшвидші із цих розпадів
відбуваються в середньому за одну соту частку секунди, що неймовірно повільно в порівнянні з типовою тривалістю
процесів, викликаних сильними ядерними силами, що становить величину порядку 10-23 с.
В 1933 р. Энрико Ферми зробив перший важливий крок по шляху побудови теорії цієї нової сили. У запропонованої Ферми
теорії слабка ядерна сила не діє на відстані, як гравітаційна або електромагнітна сили, а перетворює
нейтрон у протон, одночасно створюючи в тій же крапці простору електрон і антинейтрино. Пішло чверть століття
зусиль експериментаторів, витрачених на те, щоб зв'язати кінці з кінцями в теорії Ферми. Головним нез'ясованим
питанням було питання про те, як слабка сила залежить від відносної орієнтації спинов часток, що беруть участь у процесі.
В 1957 р. це було нарешті встановлене, і теорія Ферми прийняла остаточний вид!90.
Після рішучого прориву, зробленого в 1957 р., здавалося, уже не залишилося ніяких проблем у нашім розумінні
слабкої ядерної сили. І все-таки, хоча ми мали теорію, здатну дати чисельна відповідь для будь-якого спостережуваного на
досвіді явища, зв'язаного зі слабкою силою, сама теорія здавалася фізикам найвищою мірою незадовільної. Багато
з нас у тяжких працях намагалися поліпшити теорію й додати їй зміст.
Недоліки теорії Ферми були зв'язані не з експериментом, а із самою теорією. Насамперед, хоча теорія добре
описувала ядерний бета-розпад, вона приводила до безглуздих результатів для більше екзотичних процесів. Теоретики
намагалися задавати зовсім осмислені питання, наприклад, яка ймовірність розсіювання нейтрино при зіткненні
с електроном. Коли ж вони намагалися обчислити цю ймовірність (беручи до уваги випущення й наступне
поглинання нейтрона й антипротона), відповідь виявлявся нескінченним. Як ви розумієте, самі подібні експерименти ще
не були пророблені, але обчислення давали такі результати, які ніколи не могли б бути погоджені з яким би те
не було досвідом. Як ми вже бачили, в 1930-е рр. подібні нескінченності були виявлені Оппенгеймером і іншими
94
у теорії електромагнітних сил, але наприкінці 1940-х рр. теоретики виявили, що всі ці нескінченності у квантової
електродинаміці скорочуються при правильному визначенні або «перенормировке» маси й заряду електрона. Чим більше
фізики дізнавалися про властивості слабких сил, тим ясніше ставало, що нескінченності в теорії Ферми подібним чином не
скорочуються - теорія була неперенормируемой.
Але були й інші труднощі в теорії слабких сил - вона містила занадто багато довільних параметрів.
Істотні характеристики слабкої сили більш-менш безпосередньо витягали з експерименту й могли
варіюватися в широких межах без порушення яких-небудь відомих фізичних принципів.
Протягом довгого часу, починаючи зі старших курсів університету, я так і сяк намагався працювати над теорією слабких
сил, але в 1967 р. мене захопили проблеми сильних ядерних сил, що втримують протони й нейтрони усередині атомних ядер. Я
намагався розвити теорію сильної взаємодії за аналогією із квантовою електродинамікою91. Мені здавалося, що розходження
між сильними ядерними силами й електромагнетизмом можна пояснити за допомогою явища, відомого за назвою
порушення симетрії (нижче я поясню, що це таке). Моя ідея не спрацювала. Сили сильної взаємодії в розвитий
мною теорії були зовсім не схожі на ті, які відомі нам з досвіду. Але потім раптово до мене дійшло, що
ідеї, оказавшиеся зовсім непридатними для пояснення сильних взаємодій, дають математичну основу
теорії слабкої ядерної сили, що містить усе, що тільки можна побажати. Я побачив можливість побудови теорії
слабкої сили, аналогічній квантовій електродинаміці. Точно так само, як електромагнітна сила між зарядами,
що перебувають на відстані друг від друга, обумовлена обміном фотонами, так і слабка сила проявляє свою дію не в
якійсь одній крапці простору (як у теорії Ферми), а породжується обміном фотоноподобными частками між
частками матерії, що перебувають у різних крапках. Ці нові фотоноподобные частки не можуть бути безмасовими як
фотони (один з аргументів полягає в тім, якби вони були безмасовими, їх би давно виявили), але вони вводяться
у теорію способом, настільки схожим на той, завдяки якому у квантовій електродинаміці виникають фотони, що я
подумав: а чи не буде така теорія перенормованої в тім же змісті, що й квантова електродинаміка, тобто не скоротяться
чи все нескінченності за рахунок перевизначення мас і інших параметрів теорії. Крім того, вид теорії сильно залежав від
покладених в основу принципів, тому можна було в значній мірі уникнути тієї сваволі, що
існував у попередніх теоріях.
95
Мені вдалося побудувати конкретний варіант подібної теорії, тобто написати певну систему рівнянь,
визначальний закон взаємодії часток один з одним і малими енергіями, що зводяться в наближенні, до теорії Ферми.
Хоча спочатку в мене й у думках не було нічого подібного, але в процесі роботи я виявив, що побудована мною теорія
[...]
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