Характер Физических Законов
Шрифт:
Прежде всего я хочу рассказать вам о нынешнем состоянии физики, о том, что в ней сейчас известно. Вы могли бы подумать, что все это я уже вам рассказал, так как в предыдущих лекциях я изложил вам все основные известные законы. Но всякий закон должен быть законом для чего-то:закон сохранения энергии говорит об энергии чего-то,законы квантовой механики - это законы квантовой механики чего-то– и все эти законы, вместе взятые, еще не говорят нам о том, какова же природа, о которой здесь столько говорилось. Поэтому мне хочется сейчас рассказать вам немного о том материале, которым движут все эти законы. Прежде всего о материи: как это ни удивительно, вся материя одинакова.
Известно, что материя, из которой сделаны звезды, такая же, как и материя, из которой сделана Земля. Характер света, испускаемого звездами, дает нам, так сказать, отпечатки пальцев, по которым можно установить, что там атомы того же типа, что и на Земле. Оказывается, и живая, и неживая природа образуется из атомов одинакового типа. Лягушки сделаны из того же материала, что и камни, но только материал по-разному использован. Все это упрощает нашу задачу. У нас есть атомы и ничего больше, а атомы однотипны, и однотипны повсюду.
Все атомы, по-видимому, имеют одинаковую структуру. У них есть ядра, окруженные электронами. Можно составить список частиц, из которых, как мы думаем, построен наш мир и о которых, по нашему мнению, мы знаем (табл. 3).
Прежде всего в нем стоят электроны - частицы, составляющие внешнюю оболочку атома. Затем имеется ядро, но на сегодня считается, что оно само состоит из частиц двух различных типов, называемых нейтронами и протонами. Вот вам и еще две частицы. Мы глядим на звезды и видим атомы, они испускают свет, а сам свет состоит из частиц, называемых фотонами. В самом начале наших лекций мы говорили о тяготении, гравитации, и если только квантовая теория верна, то и у гравитации должны быть какие-то волны, ведущие себя и как частицы. Такие частицы называют гравитонами. А если вы не верите в их существование, называйте их просто гравитацией. Наконец, я уже упоминал о -распаде, во время которого нейтрон может распадаться на протон, электрон и нейтрино, вернее антинейтрино. Так что у нас есть еще одна частица - нейтрино. Кроме всех этих частиц у нас есть еще, конечно, и все соответствующие античастицы. Это короткое замечание сразу без каких-либо затруднений удваивает число известных нам частиц.
При помощи только что перечисленных частиц можно объяснить все явления, протекающие при низкой энергии, и даже все обычные явления в любой части Вселенной. Но когда в дело вступают частицы с очень высокой энергией, это уже неверно, и в лабораторных условиях нам удалось воспроизвести некоторые очень странные явления. Если же пренебречь такими исключительными случаями, то все обычные явления могут быть объяснены взаимодействием и движением перечисленных выше частиц. Например, сама жизнь, по общему мнению, может быть, в принципе, объяснена движением атомов, а эти атомы состоят из нейтронов, протонов и электронов.
Я должен сразу же оговориться - когда мы говорим, что что-то, в принципе, может быть объяснено таким-то образом, мы имеем в виду следующее: если бы нам удалось во всем разобраться до конца, то оказалось бы, что для понимания явлений живой природы не нужно открывать никаких новых законов физики. Еще один пример. Тот факт, что звезды испускают энергию, солнечную или звездную, также можно объяснить ядерными реакциями между этими частицами. По крайней мере так считается. При помощи такой модели удается правильно описать всякого рода подробности поведения атома, насколько только это нам известно сегодня. Я могу даже утверждать, что среди известных на сегодня явлений нет такого, относительно которого мы были бы уверены, что его нельзя объяснить подобным образом или хотя бы, что такое объяснение связано с решением какой-то глубокой загадки.
Но так было не всегда. Например, известны явления так называемой сверхпроводимости, когда металл при очень низких температурах проводит электричество, не оказывая ему какого-либо сопротивления. С первого взгляда совсем не было очевидным, что это явление есть следствие уже известных законов. Но теперь, когда в нем достаточно внимательно разобрались, оказалось, что и в самом деле оно полностью объясняется на основе уже имеющихся знаний. Сейчас мы знаем о других явлениях, например о явлении телепатии, которые нам не удается объяснить на основании имеющихся у нас физических знаний. Однако существование такого рода явления пока еще не установлено с полной достоверностью, и мы не можем гарантировать его существования. Если этот факт удалось бы подтвердить экспериментальным путем, это означало бы, что наша физика неполна, и вот почему физики так заинтересованы в том, чтобы выяснить, возможно ли такое восприятие или нет. Сейчас многие опыты показывают, что такого восприятия нет. Аналогичное положение с астрологией. Если от звезд действительно зависит, в какой день лучше идти к зубному врачу, - а именно так выглядит наша американская астрология, - то наши представления о физике неверны, ибо мы не представляем себе механизма, построенного, вообще говоря, на взаимодействии перечисленных выше частиц и объясняющего такое влияние. Этим и объясняется тот скептицизм, с которым ученые относятся к подобным теориям.
Правда, в случае гипноза с первого взгляда дело выглядело так, как будто такое объяснение невозможно. Но так было только, пока это явление оставалось недостаточно изученным. Ныне мы знаем о нем намного больше, и теперь считается вполне возможным, что гипноз можно объяснить обычными, хотя пока еще и не известными физиологическими процессами. Очевидно, что для его объяснения не понадобится какой-то силы нового типа.
Сегодня, когда наша теория всего, что происходит вне ядра атома; выглядит довольно точной и полной и позволяет нам, хотя, может быть, и не сразу, рассчитывать все с той же точностью, с какой мы можем проводить измерения, мы намного меньше знаем о силах взаимодействия между нейтронами и протонами, образующими ядро, и недостаточно хорошо понимаем их характер. Я хочу сказать, что на сегодня мы не понимаем характера взаимодействий между нейтронами и протонами достаточно хорошо для того, чтобы я смог, если вы меня об этом попросите, предоставив достаточно времени и достаточно вычислительных машин, точно определить все энергетические уровни углерода или решить другую задачу того же типа. Наших знаний для этого недостаточно. Мы умеем решать аналогичную задачу для энергетических уровней внешних электронов атома, а для ядра - нет, так как мы еще недостаточно понимаем природу внутриядерных сил.
Для того чтобы лучше разобраться в этих силах, были поставлены специальные опыты по изучению явлений при очень высоких энергиях. Суть этих опытов заключается в том, чтобы сталкивать между собой нейтроны и протоны с очень большой энергией и наблюдать возникающие при этом необычные явления, причем мы надеемся, что изучение этих необычных явлений даст нам лучшее понимание взаимодействия между нейтронами и протонами. Но эти эксперименты лишь открыли сосуд Пандоры. Хотя мы только хотели получше разобраться в характере сил, действующих между нейтронами и протонами, мы, с силой сталкивая эти частицы, обнаружили много новых частиц. Пытаясь лучше разобраться во внутриядерных силах, мы выловили более полусотни новых частиц, которые можно отнести в тот же столбец (см. табл. 4), что и нейтрон и протон, так как они взаимодействуют с этими частицами и имеют отношение к взаимодействию между ними. Кроме того, пока наши сети вылавливали всю эту мелочь, в них попалась пара частиц, не имеющих отношения к проблеме внутриядерных сил.
Одну назвали -мезоном или мюоном, а другую - нейтрино, причем вторая всегда сопровождает первую. Имеется два типа нейтрино: нейтрино одного типа всегда сопутствует электрону, а нейтрино другого типа - -мезону. Между прочим, к нашему крайнему удивлению, все законы поведения пары (-мезон и нейтрино сейчас уже изучены настолько полно, насколько об этом можно судить на современном уровне экспериментальной техники, и оказались в точности такими же, как и для пары электрон и нейтрино, за единственным исключением: масса -мезона оказалась в 207 раз больше массы электрона. Но это единственная разница между ними, и это довольно странно.
Четыре дюжины новых частиц образуют пугающий список, а ведь нужно еще помнить и об античастицах. У новых частиц разные названия: мезоны, пионы, каоны, лямбды, сигмы... все это ничего вам не скажет, для четырех дюжин новых частиц пришлось придумать немало новых названий! Но оказалось, что частицы образуют семейства, и это несколько облегчает наше положение. На самом деле срок жизни некоторых из этих так называемых частиц настолько мал, что до сих пор идут споры, возможно ли в действительности хотя бы установить их существование. Но в эти споры я не хочу здесь вдаваться.