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
виявилася не просто теорією слабкої сили, розвитий на базі аналогії з електромагнетизмом; ця теорія виявилася єдиною
теорією електромагнітних і слабких сил, які, як з'ясувалося, суть дві різні іпостасі однієї й тієї ж сили, що
зараз прийнято називати электрослабой силою. Фундаментальна частка фотон, випущення й поглинання якого
породжує електромагнітні сили, виявився тісними узами зв'язаний в одне сімейство з іншими фотоноподобными
частками, існування яких пророкувала теорія: электрически зарядженими частками W, обмін якими
породжує сили, відповідальні за бета-радіоактивність, і нейтральною часткою Z, про яку я розповім трохи нижче.
(Частки W давно фігурували в різних теоріях, пытавшихся пояснити слабкі сили; саме позначення W походить від
слова weak - слабкий. Я вибрав для позначення нейтральної частки букву Z, тому що ця частка має нульовий {zero)
електричний заряд, і, крім того, тому що Z - остання буква в англійському алфавіті, а я сподівався, що ця частка
буде останньої в сімействі). По суті, таку ж теорію незалежно побудував в 1968 р. пакистанський фізик Абдус
Салам, що працював тоді в Трієсті. Деякі аспекти цієї теорії розглядалися в роботі Салама й Джона Уорда й ще
раніше в роботі мого товариша по коледжі й Корнеллскому університету Шелдона Глэшоу.
Таким чином, схоже, удалося об'єднати слабкі й електромагнітні сили. Кожному хочеться пояснити усе більше й
більше речей за допомогою всі меншого числа ідей, хоча, повторю ще раз, я зовсім не розумів, куди йде справу, коли
починав свої дослідження. Але при всім при цьому в 1967 р. запропонована теорія не давала ніяких пояснень ні однієї
експериментальної аномалії у фізику слабких сил. Не існувало експериментальної інформації, що могла б
пояснити ця теорія, і яка раніше не була б пояснена в рамках теорії Ферми. Тому спочатку нова теорія
электрослабых сил не викликала ніякого інтересу. Але я не думаю, що теорія не зацікавила інших фізиків тільки
тому, що не мала експериментальної підтримки. Не менш важливим було чисто теоретичне питання про внутрішній
погодженості теорії.
І Салам, і я висловили переконання, що теорія усуне проблеми бесконечностей при розрахунку процесів,
обумовлених слабкими силами. Але в нас не вистачило кмітливості це довести. В 1971 р. я одержав препринт роботи
молодого студента-старшекурс-
96
ника Утрехтского університету по ім'ю Герард 'т Хофт, у якій він затверджував, що наша теорія дійсно
розв'язала проблемы бесконечностей: при обчисленні спостережуваних величин ці нескінченності дійсно скорочували
один одного, у точності так само, як у квантовій електродинаміці.
Спочатку робота 'т Хофта мене не переконала. Я ніколи не чув про нього, а розроблений Фейнманом математичний
прийом, використаний у роботі, незадовго до цього був мною візьмуть під сумнів. Незабаром, однак, я почув, що
теоретик Чи Бен серйозно поставився до ідей 'т Хофта й спробував одержати ті ж результати, використовуючи більше звичні
математичні методи. Я знав Чи Бена й дуже його поважав - раз вуж він порахував, що в роботі 'т Хофта щось є, я не повинен
нею зневажати. (Пізніше Бен став моїм кращим другом і співробітником. Він трагічно загинув в автомобільній катастрофі
в 1977 р.) Більш уважно подивившись на те, що зробив 'т Хофт, я переконався, що він дійсно знайшов ключ до
доказу скорочення всіх бесконечностей.
Хоча усе ще не існувало ні найменших експериментальних свідчень на користь электрослабой теорії, але саме
після роботи 'т Хофта вона стала частиною робочого апарата фізики. Це саме той випадок, коли можна з достатньої
точністю описати рівень інтересу до наукової теорії. Так трапилося, що Інститут наукової інформації опублікував
дані по кількості цитувань моєї першої роботи з электрослабой теорії, як приклад того, наскільки аналіз
цитувань може бути корисний при вивченні історії науки. Моя стаття була опублікована в 1967 р. У тім році
кількість посилань на неї рівнялося нулю92!. У період 1968-1969 р. кількість посилань знову рівнялося нулю. (У це
час і Салам, і я намагалися довести те, що зрештою вдалося 'т Хофту тобто що теорія вільна від бесконечностей.)
В 1970 р. на роботу послалися один раз. (Я не знаю, хто це зробив.) В 1971 р., тобто в тім році, коли була зроблена робота 'т
Хофта, з'явилося три посилання, одна йз яких належала 'т Хофту. В 1972 р., усе ще не маючи ніякої підтримки з
сторони експерименту, робота раптово одержала 65 посилань. В 1973 р. число посилань склало 165, потім це число
поступово зростало, поки в 1980 р. не склало 330 посилань. Недавнє дослідження того ж інституту показало, що моя
робота виявилася самої цитируемой роботою з фізики елементарних часток за всі попередні п'ятдесят років93.
Відкриття, через якого фізики із самого початку виявили цікавість до цієї теорії, полягало в тому, що вона вирішує
внутрішню концептуальну проблему фізики часток - проблему бесконечностей у теорії слабких ядерних сил. Ні в
1971, ні в 1972 р. не було ні найменших експериментальних свідчень, що ця теорія краще старої теорії Ферми.
97
Потім почали накопичуватися й експериментальні підтвердження. Обмін часткою Z повинен був породити новий тип
слабких ядерних сил, що одержали назву слабких нейтральних струмів, які повинні були виявитися при розсіюванні
пучків нейтрино на ядрах звичайних атомів. (Термін «нейтральний струм» використовується тому, що в цих процесах не
відбувається обміну електричним зарядом між ядром і іншими частками.) Експерименти по виявленню таких
процесів розсіювання нейтрино були підготовлені в Церне (Європейський центр ядерних досліджень) і в лабораторії
їм. Ферми (Фермилабе) під Чикаго. Були потрібні значні фінансові вкладення. Кожний експеримент вимагав для
свого здійснення праці тридцяти-сорока фізиків. Подібні досвіди не робляться так запросто, якщо у вас немає ясного
розуміння того, що ви збираєтеся виявити. В 1973 р. у Церне оголосили про відкриття слабких нейтральних струмів.
Незабаром про це ж оголосили у Фермилабе, Після 1974 р., коли у Фермилабе й Церне прийшли до згоди відносно
результатів експериментів, наукове співтовариство переконалося в справедливості электрослабой теорії. Шведська
газета Дагенс Нюхетер навіть оголосила в 1975 р., що Салам і я повинні одержати цього року Нобелівську премію по
фізиці (насправді цього не трапилося).
Хтось може запитати, чому визнання электрослабой теорії було настільки швидким і всеосяжним. Звичайно,
зіграло роль те, що слабкі нейтральні струми були передвіщені й потім виявлені. Хіба не це є той спосіб, з
допомогою якого й установлюється справедливість якоїсь теорії? Думаю, що всі не так просто.
Насамперед, нейтральні струми не були чимсь зовсім новим для теорії слабких сил. Якось мені вдалося
простежити розвиток ідеї нейтральних струмів назад у часі до статті Георгія Гамова й Эдварда Теллера, які з
[...]
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