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
допомогою цілком розумних доводів пророчили в 1937 р. існування слабких нейтральних струмів. Більше того, ще в 1960-
е рр. були експериментальні свідчення нейтральних струмів, але в них ніхто не вірив: самі експериментатори,
свідчення, що виявили ці, завжди ставилися до них, як до «тла». Те нове, що з'явилося в 1973 р. і було дуже
важливо для експериментаторів, це пророкування, що значення інтенсивності нейтральних струмів перебувають у певному
інтервалі. Наприклад, в одному типі нейтринних реакцій внесок нейтральних струмів міг становити від 15 до 25% від внеску
звичайних слабких сил. Таке пророкування дозволяло визначити чутливість, необхідну при експериментальному
пошуку таких сил. І все-таки перелом, що відбувся в 1973 р., був пов'язаний з тим, що теорія придбала безсумнівні риси
внутрішній погодженості й твердості. Це змусило фізиків визнати, що прогрес у їх власній науковій праці
зв'язаний
98
с визнанням правильності теорії, а не чекаючи того, що із усього цього вийде.
У певному змісті электрослабая теорія одержала експериментальну підтримку до відкриття нейтральних струмів,
тому що вона правильно відтворила всі властивості слабких сил, раніше пояснені теорією Ферми, так само як і всі властивості
електромагнітних сил, які успішно описувала квантова електродинаміка. Тут знову, як і у випадку із загальної
теорією відносності, можна запитати, чому відтворення результатів, уже отриманих більше ранніми теоріями,
розглядається як успіх? Теорія Ферми пояснила властивості слабких сил за допомогою деякого числа довільних
гіпотез, довільних у тім же змісті, що й закон зворотних квадратів для ньютоновской теорії тяжіння.
Электрослабая теорія пояснила ці гіпотези (наприклад, залежність слабких сил від спинов беруть участь в
взаємодії часток) значно більше непереборним образом. Але в такого роду оцінках неможливо бути точним: це
справа смаку й досвіду.
Зненацька в 1976 р., через три роки після відкриття нейтральних струмів, виникла криза. Уже не було ніяких сумнівів
щодо існування нейтральних струмів, але експерименти, пророблені в 1976 р., указували, що деякі їх
властивості не відповідають пророкуванням теорії. Відхилення виявилися в експериментах, виконаних незалежно в
Сиэттле й Оксфорді й пов'язаних з вивченням поширення поляризованого світла крізь пари вісмуту. Ще із часу
роботи Жана-Батисту Био в 1815 р. було відомо, що поляризоване світло, проходячи через розчини деяких цукрів,
випробовує обертання площини поляризації або в праву, або в ліву сторону. Наприклад, при проходженні через
розчин звичайного цукру глюкози-R, площина поляризації світла повертається праворуч, а при проходженні через
розчин глюкози-L - ліворуч. Відбувається це тому, що молекула глюкози-R не збігається зі своїм дзеркальним
відбиттям, молекулою глюкози-L, точно так само, як рукавичка на ліву руку відрізняється від рукавички на праву руку (у те
же час капелюх або краватка і їхні дзеркальні відбиття виглядають однаково). Здавалося б, при проходженні
поляризованого світла через газ, що складається з окремих атомів речовин типу вісмуту, не повинне відбуватися такого
обертання площини поляризації. Однак электрослабая теорія пророкує асиметрію між правим і лівим в
слабких взаємодіях електронів з атомними ядрами, обумовлених обміном Z-Часткою, що надає таким атомам
властивості, схожі на властивості рукавички або молекули цукру при відбитті в дзеркалі. (Очікувалося, що ефект буде
особливо великий для атомів вісмуту через специфіку будови їхніх енергетичних рівнів.) Розрахунки показували, що лево-
права асиметрія в атомі вісмуту повинна приводити до повільного обертання площини поляризації прохо-
99
дящего через пари вісмуту світла в ліву сторону. До свого подиву, експериментатори в Оксфорді й Сиэттле не
змогли виявити таке обертання й повідомили, що якщо воно й існує, то швидкість обертання повинна бути набагато
менше, ніж пророкує теорія.
Це воістину нагадувало зривши бомби. Здавалося, що експерименти свідчили, що та конкретна версія
теорії, що незалежно розробили в 1967-1968 р. Салам і я, виявилася невірної в деталях. Але я не був готовий
відмовитися від загальних ідей электрослабой теорії. Ще починаючи з появи роботи 'т Хофта в 1971 р., я був зовсім
переконаний у правильності основних положень теорії, а ту версію, що побудували Салам і я, розглядав як одну з
конкретних простих реалізацій. Наприклад, могли бути й інші члени в сімействі часток, утвореному фотоном і
частками W і Z, або інші частки, пов'язані з електроном і нейтрино. Ще задовго до цієї історії Пьер Дюгем і У.
ван Куин відзначали, що ніяка наукова теорія не може бути повністю відкинута порівнянням з експериментальними
даними, тому що завжди є можливість таких маніпуляцій з теорією або введення таких додаткових
припущень, які приведуть до згоди теорії й експерименту. Просто в якийсь момент дослідник повинен
вирішити, чи не є ті доповнення, які необхідно ввести, щоб уникнути конфлікту з досвідом, занадто
виродливими, щоб у них можна було повірити.
Дійсно, після експериментів у Сиэттле й Оксфорді багато теоретиків стали намагатися придумати невеликі
модифікації электрослабой теорії, які пояснювали б, чому сили, породжувані нейтральними струмами, не приводять
до очікуваної величини асиметрії між правим і лівим. Спочатку ми думали, що можна мало-мало спотворити теорію,
але при цьому домогтися згоди з усіма наявними даними. Згадую, що саме в цей час Чи Бен прилетів в Упало
Альто, де я тоді працював, і я скасував давно заплановану поїздку в Иосемиту, щоб попрацювати з ним і спробувати
модифікувати электрослабую теорію таким чином, щоб задовольнити всім експериментальним даним (у тому числі
і зняти деякі розбіжності між теорією в даними по реакціях з нейтрино високих енергій). Але ніщо, схоже, не
допомагало.
Одна із проблем полягалася в тім, що до цього часу вже була велика кількість даних, отриманих в
Церне й Фермилабе, щодо розсіювання нейтрино при зіткненні із протонами й нейтронами, причому практично всі
вони підтверджували первісну версію электрослабой теорії. Було дуже важко зрозуміти, яким образом якась
інша теорія могла б так само природно согласовываться із цими даними, заодно согласуясь і з даними по вісмуті, т.
е. як можна було уникнути сильних ускладнень, спеціально підігнаних так, щоб погодити теорію з даними всіх
100
експериментів. Трохи пізніше в Гарварді Говард Джорджи і я висловили загальні аргументи на користь того, що не
існує природного способу так змінити электрослабую теорію, щоб вона согласовывалась і з даними Оксфорда й
[...]
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