Шаги за горизонт

Гейзенберг Вернер Карл

Космическое излучение и фундаментальные проблемы физики [61]

Исследование космических лучей расширило наше понимание фундаментальных вопросов физики, поскольку обнаружилось, что ранее употреблявшиеся понятия имеют лишь ограниченную область применения. Предоставляя сведения о поведении материи в самых малых (элементарные частицы) и в самых больших масштабах (Вселенная), они как нельзя лучше способствовали переосмыслению повседневных понятий, применяющихся в физике, и подтолкнули физиков к поискам новых понятий.

61

⁵³ Доклад на XIV Международной конференции по космическим лучам (18 августа 1975 г. в Мюнхене). Первая публикация на английском языке: Heisenberg W. Cosmic Radiation and Fundamental Problems in Physics//14. Internat. Cosmic Ray Conference, Conference Papers, vol. 11. M"unchen, 1975, p. 3461–3474 (Max-Plank-Inst. f"ur extraterrestrische Physik).

С самого своего открытия примерно 60

лет назад космическое излучение играет очень заметную роль в развитии физики. От первых известий о лучах, приходящих на Землю из космического пространства, захватывающе интересная история вела к обнаружению в их составе высокоэнергетических частиц, новых частиц с неожиданными свойствами, новых фундаментальных симметрии в законах природы, в конечном счете — к обогащению наших знаний об остаточной материи и магнитных полях в межзвездном пространстве, а также о возможных источниках космического излучения. Не стану, однако, прослеживать здесь исторический ход событий. Ограничусь в своем докладе теми фундаментальными проблемами физики, на которых более или менее существенно сказался рост наших сведений о космических лучах. Какова связь между этим весьма специальным разделом физики и фундаментальной проблематикой, затрагивающей первые основания всей нашей науки? Взаимодействие между ними впервые наметилось в начале 30-х годов, когда космическое излучение сыграло видную роль в одном из значительнейших физических открытий нашего века, открытии позитрона. Само по себе это открытие было сделано, собственно говоря, не в ходе работы над космическим излучением; создавая свою теорию электрона, Дирак предсказал существование положительно заряженного антипода электрона. Однако первые убедительные факты, подтверждающие это, были установлены Андерсоном, а также Блэкетом и Оккиалини именно на материале космического излучения [62] . Первые снимки каскадов в камере Вильсона, в которой фотоны порождали пары «электрон-позитрон», а эти частицы при прохождении через материю снова порождали фотоны, предоставили несомненное доказательство существования позитронов и правильности теории Дирака. Вскоре затем удалось наблюдать позитроны и в ядерных процессах; я имею в виду бета-распад.

62

⁵⁴ Карл Д. Андерсон, американский физик, исследуя космические лучи, открыл в 1932 г. частицу с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом, названную позитроном. В 1936 г. Нобелевский комитет присудил премию В. Гессу за открытие космических лучей и К. Андерсону за открытие позитрона в этих лучах. Английский физик Патрик М. Блэкетт вместе с итальянским физиком Джузеппе С. Оккиалини, соединив камеру Вильсона со счетчиком Гейгера, смогли в 1933 г. наблюдать позитроны намного более отчетливо, чем Андерсон. В 1948 г. П. Блэкетт также удостоился Нобелевской премии по физике.

Следовало бы, пожалуй, добавить несколько слов о принципиальном значении этого открытия. Вплоть до того времени физики придерживались — можно сказать, более или менее бессознательно — взглядов древнегреческого философа Демокрита. Считалось, что если без конца делить материю, то мы в конечном счете остановимся на ее мельчайших частицах, уже не поддающихся дальнейшему делению, почему им и дали название «атомы». Атомы трактовались как неделимые, неизменные единицы материи, как кирпичики, из которых вся она построена; что касается ощутимых свойств разных видов материи, считалось, что они обусловлены относительным положением и движением атомов, или, как мы теперь сказали бы, элементарных частиц. Вся эта картина, какою бы правдоподобной она ни казалась, была полностью разрушена теорией Дирака и ее последствием — открытием позитрона. Суть дела заключалась не столько в существовании новой, дотоле неизвестной частицы — позднее была обнаружена масса новых частиц без каких-либо серьезных последствий для оснований физики, — сколько в открытии нового типа симметрии, сочетания частицы с античастицей, что было тесно связано с Лоренцовой группой специальной теории относительности и с превращением энергии в материю и наоборот. В нерелятивистской физике число частиц любого рода являлось константой движения, подобно энергии или импульсу. В релятивистской физике число это уже нельзя было считать надежным квантовым числом. Атом водорода, к примеру, не обязательно состоит из протона и электрона; его можно считать состоящим из одного протона, двух электронов и одного позитрона, хотя эта последняя конфигурация вносит лишь незначительную релятивистскую поправку в полную волновую функцию водорода. Одним из следствий этой ситуации явилось предположение, что при высокоэнергетическом столкновении двух частиц может возникнуть большее число новых частиц, в принципе любое, ограниченное лишь законом сохранения энергии, импульса, изоспина и т. д. Это предположение также удалось подтвердить на космическом излучении.

Собственно говоря, уже в конце 30-х годов Блэй и Вамбахер обнаружили на фотографических пластинках, засвеченных космическим излучением высоко над поверхностью Земли, так называемые «звёзды» — процессы, при которых из определенной точки пластины исходило большое число следов. По-видимому, то или иное атомное ядро подвергалось удару частицы с очень высокой энергией и под ее напором излучало целый ряд различных частиц. Интерпретировать эти «звёзды» было непросто, поскольку началом процесса мог оказаться род каскада в ядре наподобие хорошо известного электронно-позитронного каскада, сопровождающегося испарением ядра. Полученные результаты не являлись поэтому прямым доказательством порождения многих частиц при столкновении всего лишь двух частиц; догадка оставалась пока догадкой. Но с течением времени эксперименты с космическими лучами удалось усовершенствовать, и спустя 15 лет факт порождения многих частиц был определенно доказан.

Эти данные означали, что понятия «делится» и «состоит из» имеют ограниченную область применения. Как в теории относительности понятие «одновременно» или в квантовой механике понятия «положение» и «скорость» применяются лишь с характерными ограничениями, утрачивая свой смысл при некритическом употреблении не в том контексте, точно так же и понятия «деление» и «состав» имеют корректный смысл только в строго определенных ситуациях. Лишь когда элементарная частица распадается вследствие воздействия на нее малых энергий на две или более части, масса покоя которых в сравнении с этими малыми энергиями очень велика, мы имеем право говорить, что данная элементарная частица состоит из этих частей, может распадаться на них. Во всех прочих случаях слова «делится» или «состоит из» не имеют четкого смысла. При столкновении двух частиц высоких энергий происходит, по сути дела, создание новых частиц из кинетической энергии. Энергия становится материей, принимая форму элементарной частицы. Впрочем, различение между элементарной частицей и составленной из частиц системой опять-таки лишено четкого смысла. Частицы суть стационарные состояния физической системы «материя». Все эти очень важные и принципиальные выводы были получены на экспериментальной базе исследования космических лучей.

Другим интересным результатом исследования космических лучей было открытие мюонов, или мю-мезонов, Неддермайером и Андерсоном в 1937 году. Вначале этот объект был ошибочно принят за частицу, которую Юкава предсказал как материальный носитель сильного взаимодействия между нуклонами. Но вскоре выяснилось, что взаимодействие мю-мезонов с тяжелыми частицами — протоном и нейтроном — слишком невелико, что мю-мезон не может считаться причиной сильного взаимодействия внутри ядра. Мю-мезон оказался чем-то вроде более тяжелого родственника электрона, отличаясь от этого последнего только своей более крупной массой. Открытие мю-мезонов не привело к столь же фундаментальному изменению в основаниях физики, как открытие позитрона. Однако оно выявило один интересный факт, касающийся спектра частиц. Этот спектр распадается на две очень слабо связанные системы термов — адроны и лептоны. Подобные слабо связанные системы термов хорошо известны из наблюдения оптических спектров атомов. Аналогичны ли причины такого распределения в обоих случаях, остается пока еще открытым вопросом. Мю-мезоны наряду с нейтрино представляют собой наиболее проникающую часть космического излучения и играют поэтому важную роль при определении интенсивности космического излучения в зависимости от высоты в атмосфере.

Стоило бы упомянуть еще и о другом, поистине примечательном случае, когда мю-мезоны способствовали прояснению фундаментальнейших вопросов. Незадолго перед войной теория относительности не признавалась политическими правителями в нашей стране, причем идея замедления времени при движении тел критиковалась как абсурд и как чисто теоретическая спекуляция. Проходили даже специальные разбирательства по вопросу о том, следует ли преподавать теорию относительности в университетах. На одном из таких обсуждений я выступил с предположением, что время распада мю-мезонов должно зависеть от скорости этих последних; мю-мезоны, скорость движения которых приближается к скорости света, распадаются медленнее тех, чья скорость меньше, — такое предсказание позволяла сделать теория относительности. Предсказание экспериментально подтвердилось; замедление времени удалось непосредственно пронаблюдать, и тем самым путь для университетских лекций о теории относительности был расчищен. Я остался навсегда благодарен мю-мезонам за эту поддержку.

Вскоре после войны Пауэлл в Бристоле открыл пи-мезон, играющий очень важную роль в большинстве феноменов космического излучения. Этот объект удовлетворяет всем условиям, которые Юкава сформулировал для материального носителя сильного взаимодействия; как выяснилось позднее, он был не единственной частицей этого рода, но в качестве адрона с наименьшей массой он был вскоре обнаружен почти во всех процессах очень высоких энергий. К тому же пи-мезон распадается на один мю-мезон и одно нейтрино, так что попутно было прояснено возникновение мю-мезонов.

Подобно мю-мезонам, пи-мезон тоже не привел к фундаментальным сдвигам в основаниях физики. Он подтвердил лишь, что разнообразные частицы являются стационарными состояниями системы «материя», отличающимися друг от друга разным поведением при преобразовании основной группы. Группы более фундаментальны, чем частицы.

В те годы помимо Лоренцовой группы теории относительности из фундаментальных групп была известна только изоспиновая. Она была открыта в 1932 году в связи с исследованиями по ядерной физике; но лишь пи-мезоны позволили вполне понять ее фундаментальный характер. Эксперименты над пи-мезоном в космическом излучении показали, что изоспиновая группа дает точную симметрию для сильного взаимодействия, и лишь электромагнитное взаимодействие, а также более слабые взаимодействия нарушают эту симметрию. Для истолкования этих данных послужила гипотеза о том, что закон природы, лежащий в основе спектра частиц, строго инвариантен при изоспиновом преобразовании и что отклонения от этой симметрии вызываются асимметрическим, вырожденным основным состоянием. Аналогичные ситуации хорошо известны в квантовой механике твердых тел.

Почти одновременно с пи-мезонами в космическом излучении были открыты другие частицы — тяжелее пи-мезонов и немного «странные» в своем поведении. У них была довольно-таки большая продолжительность жизни — порядка 10^{– 10} сек, и поэтому их следы можно было наблюдать в камере Вильсона или в эмульсиях. Однако эту большую продолжительность жизни было невозможно понять, учитывая лишь уже известные к тому времени симметрии и соответствующие квантовые числа (барионное число, изоспин, орбитальный момент); они заставляли ожидать намного более краткую продолжительность жизни, и потому поведение новых частиц было странным. Верную интерпретацию дал Пайс в 1952 году; он ввел новое квантовое число, так называемую странность, и соответствующую симметрию, или свойство преобразований. Таким образом, исследование космических лучей привело к открытию новой группы симметрии; а поскольку, как я уже упомянул выше, группы важнее, чем частицы, это стало еще одним очень существенным вкладом в фундаментальные проблемы физики.