Шаги за горизонт

Гейзенберг Вернер Карл

В нейтронной звезде вещество имеет плотность примерно такого же порядка, что и в атомном ядре. При подобной плотности все-таки еще имеет смысл говорить, что ядро состоит из определенного числа нуклонов, потому что небольшого количества энергии — небольшого в сравнении с массой покоя ядра — достаточно, чтобы вывести из ядра протон или нейтрон. Нуклоны в ядре находятся еще на достаточном расстоянии друг от друга; энергия их взаимодействия поэтому незначительна в сравнении с их массой покоя. То же относится к нейтронной звезде, почему и оказалось возможным приблизительно охарактеризовать уравнение состояния подобной звездной материи. Но если плотность значительно выше — например, в звезде большой массы, связанной силами гравитации, — то вопрос, из каких частиц состоит звезда, уже не имеет четко определенного смысла. Имеющееся для каждой частицы пространство окажется тут меньше, чем ее нормальная величина, так что частица не будет иметь своей нормальной массы; из-за большой силы взаимодействия частицы, как правило,

утратят разграничивающую их массы оболочку. Иными словами, здесь можно говорить лишь о какой-то смеси всех частиц, а такую смесь было бы разумнее называть континуумом материи. Фундаментальная проблема физики элементарных частиц заключается в динамическом поведении этой непрерывной материи.

Окажись возможным получить больше информации об уравнении состояния не только в нейтронных звездах, но, главное, в звездах с еще большей плотностью, это было бы крайне важным для понимания динамического поведения материи. Я не могу предрешать, следует ли здесь опереться на исследование космических лучей или на более обширные астрофизические изыскания. Мне хотелось лишь подчеркнуть значение проблемы.

Коль скоро понятие частицы в данном контексте не имеет смысла, решающую роль должны играть групповые характеристики динамического закона. Динамический закон колеблющейся струны, например, инвариантен при переносах во времени и при параллельных переносах вдоль струны, равно как и при вращениях вокруг струны. Вторая инвариантность нарушается граничными условиями, третья, как правило, не нарушается. Что касается электромагнитных колебаний в пространственной полости, динамический закон здесь инвариантен относительно полной Лоренцовой группы; инвариантность будет частично нарушаться краевыми условиями.

Известны некоторые существенные инварианты динамики материи: Лоренцова группа и изоспиновая группа SU₂. Масштабную группу тоже, пожалуй, следовало бы причислить к фундаментальным инвариантам. Но я не хотел бы подробно обсуждать симметрии динамического закона. Вернусь вместо этого к космическому излучению. Как исследование космического излучения, или, говоря шире, астрофизическое исследование, может способствовать нашему познанию динамики материи?

Сперва два слова о причинности. Из дисперсионных соотношений мы знаем, что взаимодействие в материи следует закону причинности. Точная математическая формулировка этого положения, возможно, неизвестна нам в окончательном виде, но у нас есть неплохие основания предполагать, что взаимодействие может быть определено локально, как, скажем, в квантовой электродинамике. Нелокальность кулоновской силы этому не противоречит. С учетом данной ситуации можно сделать правдоподобное допущение, что исследование материи чрезвычайно высокой плотности предоставит нам прямую информацию об этом локальном взаимодействии и тем самым о динамике материи.

В космическом излучении есть другая специальная область, где в той же проблеме динамики материи можно приступить с совершенно иной стороны. Когда две частицы крайне высоких энергий сталкиваются между собой, то в первый момент столкновения мы имеем маленький диск чрезвычайно плотной материи, который затем взрывается и, теряя свою плотность, распадается в конечном счете на многочисленные частицы. Этот хорошо известный процесс множественного образования частиц, естественно, тем более интересен, чем выше была энергия сталкивающихся частиц. Если первичная частица космического излучения имеет энергию 10⁶ ГэВ, то плотность возникающего при столкновении диска может вначале в тысячу раз превысить плотность нейтронной звезды.

Изучение поведения ливня таких космических лучей крайне высоких энергий должно поэтому дать ценнейшую информацию о динамике материи. В данной связи обнадеживающим является то, что на накопительных кольцах протонного синхротрона Европейского центра по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и на ускорителе «Батавия» асимптотическая область уже достигнута или по крайней мере к ней уже приблизились. Для начальной фазы столкновений в этой области первичные частицы можно представлять себе просто как облака непрерывной материи, плотность которой на поверхности уменьшается по экспоненте. Такая модель объясняет логарифмическое возрастание полного сечения в зависимости от приращения энергии. Следовало бы только указать на характерное различие, существующее между [мысленными] экспериментами со звездами предельно высокой плотности и экспериментами с дисками, получающимися при столкновении высокоэнергетических частиц. В первом случае гравитация играет важную роль, во втором она несущественна. Так что эти два вида экспериментов могут дать нам два разных типа важной информации.

Возвращаясь в заключение к общим вопросам, упомянутым мною в начале моего доклада, я должен, по-видимому, сказать, что особая роль космического излучения внутри физики как целого покоится на двух обстоятельствах. Космическое излучение предоставляет информацию о поведении материи в наименьших масштабах; и оно же расширяет наше знание о строении Вселенной, о мире в широчайших масштабах. Оба эти крайних полюса недоступны прямому наблюдению, их можно изучать лишь посредством косвенных дедукций, по необходимости заменяя наши повседневные понятия другими, чрезвычайно абстрактными новыми понятиями; и лишь затем мы начинаем понимать, что могут означать в применении к природе такие выражения, как «последняя граница» или «бесконечность». В этом смысле исследование космических лучей — несмотря на все изменения в стиле экспериментов — все еще может быть названо очень романтической, очень вдохновляющей наукой.

Что такое элементарная частица? [64]

Ответ на вопрос «Что такое элементарная частица?» должны дать, естественно, прежде всего эксперименты. Я поэтому первым делом кратко подытожу важнейшие итоги физики элементарных частиц за последние полвека и попытаюсь доказать, что если мы непредвзято рассмотрим данные экспериментов, то ответ на вышеназванный вопрос будет в основном уже получен и теоретику останется не так уж много прибавить от себя. Во второй части своего доклада я затрону также и философские проблемы, связанные с понятием элементарных частиц. Дело в том, что, по-моему, известные тупики теории элементарных частиц — заставляющие тратить много усилий на бесполезные поиски — обусловлены подчеркнутым нежеланием многих исследователей вдаваться в философию, тогда как в действительности эти люди бессознательно исходят из дурной философии и под влиянием ее предрассудков запутываются в неразумной постановке вопроса. Несколько утрируя, можно, пожалуй, сказать, что дурная философия исподволь губит хорошую физику. В заключение я поговорю об этих спорных попытках, сравню их с аналогичными блужданиями в развитии квантовой механики, известной мне по личному опыту, и предложу некоторые свои соображения о том, как можно избегать подобных тупиков. Так что конец доклада снова окажется более оптимистичным.

64

⁵⁶ Доклад на заседании Немецкого физического общества 5 марта 1975 г. Первая публикация: Heisenberg W. Was ist ein Ele-mentarteilchen?//Die Naturwissenschaften, 1976, Bd. 63, S. 1–7.

Итак, сначала — экспериментальные данные. Менее полувека назад Дирак в своей теории электрона предсказал, что, помимо электрона, должны существовать соответствующие ему античастицы — позитроны; и через несколько лет К. Андерсен и П. Блэкет экспериментально подтвердили существование позитронов, их возникновение при образовании пар, а тем самым и существование так называемой антиматерии. Это было открытие величайшей важности.

Ведь до того времени большей частью считалось, что имеются два вида фундаментальных частиц, электроны и протоны, отличающиеся от всех других тем, что они никогда не изменяются и что, следовательно, их число всегда постоянно, и по этой причине они и получили название элементарных частиц. Всю материю можно было считать состоящей в конечном счете из электронов и протонов. Экспериментальное доказательство образования пар — электронов и позитронов — показало ложность такого представления. Электроны могут возникать и снова исчезать; число их поэтому никоим образом не постоянно; они не элементарны в том смысле, какой раньше придавался этому слову.

Следующим важным шагом было открытие искусственной радиоактивности Ферми [65] . Многочисленные опыты показали, что атомное ядро, излучая частицы, способно превращаться в другое атомное ядро, если того допускают законы сохранения энергии, орбитального момента, электрического заряда и т. д. Превращение энергии в материю, предсказанное уже Эйнштейновой теорией относительности, представляет собой, таким образом, очень часто наблюдаемый феномен. О постоянстве числа частиц тут нет и речи. Существуют, однако, физические свойства, характеризующиеся определенным квантовым числом — я имею в виду, скажем, орбитальный момент или электрический заряд, — причем квантовые числа могут принимать положительные и отрицательные значения и подчиняются закону сохранения энергии.

65

⁵⁷ В 1937 г. Энрико Ферми получил Нобелевскую премию по физике за открытие искусственной радиоактивности, обусловленной нейтронами. См. прим. 43.

В 30-е годы было сделано еще одно важное экспериментальное открытие. Оказалось, что в космическом излучении встречаются частицы очень высоких энергий, которые при столкновении с другими частицами, например с протоном фотоэмульсии, могут породить ливень из множества вторичных частиц. Некоторое время многие физики думали, что причиной подобных ливней могут быть лишь некие каскадные механизмы в атомном ядре; но позднее было выяснено, что предположенное теорией множественное образование вторичных частиц происходит в действительности также и при столкновении всего лишь двух высокоэнергетических частиц. В конце 40-х годов С. Пауэллом были открыты пионы, играющие главную роль в этих ливнях. Тем самым было установлено, что при столкновении частиц очень высоких энергий происходит превращение энергии в материю — важнейший, сплошь и рядом встречающийся процесс, вследствие чего уже явно не имеет никакого смысла говорить о делении исходных частиц.