Шаги за горизонт - Гейзенберг Вернер Карл (читать полностью книгу без регистрации TXT) 📗
Хотя экспериментальные результаты последних лет вряд ли дают повод сомневаться в том, что атомная физика будет развиваться в этом направлении, до сих пор еще не удалось определить математически закономерности образования элементарных частиц. В настоящий момент атомная физика как раз занимается этой проблемой. Она решает ее как экспериментально — путем открытия новых частиц и исследования их свойств, — так и теоретически, стараясь законосообразно связать свойства элементарных частиц и записать их в математических формулах.
В этих попытках и всплыли те трудности с понятием времени, о которых я говорил выше. Изучая соударения элементарных частиц предельно высоких энергий, следует принимать в расчет пространственно-временную структуру специальной теории относительности. В квантовой теории атомных оболочек эта пространственно-временная структура не играет существенной роли, потому что электроны атомных оболочек движутся относительно медленно. Здесь же имеют дело с элементарными частицами, движущимися почти со скоростью света. Их поведение можно, следовательно, описать только с помощью теории относительности. Эйнштейн пятьдесят лет назад обнаружил, что структура пространства и времени не столь проста, как мы представляем ее на основании повседневного опыта. Если мы называем прошлыми все те события, о которых мы можем, хотя бы в принципе, что-либо узнать на опыте, а будущими — те, на которые мы еще можем, хотя бы в принципе, воздействовать, то мы полагаем — в соответствии с нашим наивным представлением, — что между этими двумя группами находится бесконечно краткий момент, который можно назвать настоящим. Именно такое представление Ньютон и положил в основу своей механики.
После того открытия, которое Эйнштейн сделал в 1905 году, мы знаем, что между событием, названным мной будущим, и событием, названным мной прошлым, лежит конечный временной промежуток, величина которого зависит от пространственного расстояния между событием и наблюдателем [46]. Сфера настоящего не ограничивается, следовательно, бесконечно малым моментом времени. Теория относительности исходит из предпосылки, что действия в принципе не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Эта особенность теории относительности, взятая в связи с соотношениями неопределенностей квантовой механики, приводит к затруднениям. Согласно теории относительности, действия могут распространяться только в строго ограниченной пространственно-временной области, в так называемом световом конусе, образованном теми пространственно-временными точками, которых достигает световая волна, исходящая из некоторого излучающего центра. Следует особо подчеркнуть, что эта пространственно-временная область имеет строго определенные границы. Квантовая механика выяснила, с другой стороны, что результатом строгого установления местоположения, а значит, и строгого пространственного ограничения является бесконечная неопределенность скорости, а стало быть, и импульса, и энергии. Практически это обстоятельство сказывается в том, что попытка математической формулировки взаимодействия элементарных частиц всегда приводит к бесконечным значениям энергии и импульса, а это препятствует удовлетворительному математическому описанию [47].
В последние годы в связи с этими трудностями была предпринято немало исследований, однако вполне удовлетворительного решения дать не удалось. Единственной опорой кажется пока следующее допущение: в предельно малых пространственно-временных областях, порядок величины которых тот же, что и у элементарных частиц, пространство и время странным образом исчезают, а именно: для столь малых времен уже нельзя правильно определить сами понятия «раньше» и «позже». Разумеется, пространственно-временная структура в целом нисколько не меняется, однако приходится считаться с возможностью, что в экспериментах с процессами, протекающими в крайне малых пространственно-временных областях, обнаружится, что некоторые из них протекают в направлении времени, как бы обратном тому, которое соответствует их каузальной последовательности.
Здесь, таким образом, новейшие результаты атомной физики вновь оказываются связанными с проблемой закона причинности. В настоящий момент, правда, нельзя решить, сталкиваемся ли мы тут опять с новыми парадоксами и отклонениями от закона причинности. Может случиться, что при попытках математической формулировки законов физики элементарных частиц откроются другие возможности избегнуть названных трудностей. Но уже сейчас вряд ли можно сомневаться в том, что развитие новейшей атомной физики в этом пункте еще раз вторгнется в сферу философии. Окончательный ответ на поставленные только что вопросы можно будет дать только в том случае, если удастся установить действующие в сфере элементарных частиц математические законы — если, к примеру, мы узнаем, почему протон именно в 1836 раз тяжелее электрона [48].
Отсюда явствует, что атомная физика все больше отдаляется от детерминистских представлений. Во-первых, потому, что атомистическое учение с первых шагов рассматривает законы, определяющие макроскопические процессы, как статистические. Во-вторых, потому, что в первой половине нашего столетия неполнота знания атомных систем была признана принципиальным элементом теории. В-третьих, потому, что в самые последние годы понятие временной последовательности оказалось проблематичным в применении к пространствам и временам предельно малых масштабов, хотя мы пока не можем сказать, как же будет решена эта загадка.
Роль физики элементарных частиц в развитии современного естествознания [49]
Нет необходимости говорить о том, что физика элементарных частиц играет в современной науке очень важную роль. Свидетельством тому — и большое количество физиков, занятых исследованиями в данной области, и огромные бюджеты национальных и международных учреждений, предоставляющих испытательные установки для физических исследований. В сегодняшнем докладе я поэтому ставлю перед собой следующие цели: подробнее проанализировать эту роль; проследить конкретные связи между физикой частиц и другими ветвями физики или другими науками; выяснить причины и следствия появления данной сферы деятельности в рамках так называемой большой науки; наконец, бросить взгляд на результаты, достигнутые за последние десятилетия, и сделать из них выводы, касающиеся понятийной структуры нашей науки.
Когда в начале нашего столетия работы Резерфорда и Бора впервые позволили заглянуть в строение атома, было нетрудно догадаться, что достижение понимания электронных оболочек атома будет иметь крайне важные последствия для многих областей физики и для науки вообще. Выявилась основа, на базе которой удалось объяснить поведение материи в ее различных формах (твердое тело, жидкость, газ), осмыслить такие специфические свойства, как кристалличность, электропроводность, упругость твердых тел или сверхтекучесть жидкостей, и дедуцировать цвет газов в разрядных трубках из траекторий электронов внутри атома. Обширный материал, собранный химиками в процессе изучения молекул, свойств химических соединений и механизмов их реакций, ожидал анализа и интерпретации в свете этих новых знаний об атоме. На повестке дня стояло их широкое практическое применение, и действительно, после 1930 года, когда мы поняли поведение внешних частей атома, эти познания принесли богатые плоды в физике твердого тела, при исследовании низких температур и в астрофизике.
Первые шаги ядерной физики не сопровождались подобными ожиданиями. В большинстве своих проявлений — если не считать радиоактивности — ядро атома предстает неизменной единицей, и даже в середине 30-х годов многие сомневались в возможностях технического применения ядерной физики. Лишь когда Вейцзеккер и Бете доказали, что звезды — это гигантские атомные печи, а Отто Ган открыл расщепление урана [50], расчистился путь для последовавшего затем невероятно ускоренного технического развития.
