Текст книги "Всё ещё неизвестная Вселенная"

8
Виговская история науки: Обмен мнениями

Публикация статьи «С оглядкой на современность» (глава 7 этой книги) в свое время вызвала множество комментариев, приятных и не очень. В письме, написанном Рональдом Намберсом, выражалось негодование насчет моего замечания о высказывании Дэвида Линдберга «Подходящая мера для любой философской системы или научной теории – это не то, в какой степени они предугадывают современные нам идеи, но то, в какой степени они преуспели в решении философских и научных проблем своего времени», которое я назвал абсурдом. Такая реакция сильно меня огорчила, поскольку я глубоко уважаю и Линдберга, и Намберса, написавшими книги, которые многому меня научили. Но я все же считаю, что подходящий критерий оценки научной теории – это ее соответствие наблюдениям за реальным миром, а чтобы судить об этом соответствии, мы должны полагаться на современные научные идеи.

Так случилось, что журнал The New York Review of Books решил опубликовать только одно из писем с комментариями к моей статье. Это было письмо от Артура Сильверштейна, почетного профессора иммунологии Университета Джонса Хопкинса, который занимался и историей науки. Сильверштейн высказал два возражения к моей статье. Он утверждал, что виг-интерпретация может быть опровергнута изменениями в научном знании, и привел примеры из области иммунологии, а также вспомнил о неверной оценке возраста Земли, сделанной лордом Кельвином. Кроме того, он приписал мне точку зрения, согласно которой «историкам науки можно разрешить анализировать прошлое с позиций современных знаний (виг-интерпретация), тогда как другим так поступать нельзя». Мой ответ Сильверштейну приведен в этой главе. Его письмо и мой ответ были опубликованы в The New York Review of Books 25 февраля 2016 г.

Артур Сильверштейн высказал интересное замечание о виговской истории науки: якобы историкам сложно судить о том, кто в прошлом был прав и не прав, поскольку наши современные научные знания могут быть ошибочны. Конечно, никто не считает, что мы знаем все, но кое-что нам все-таки известно наверняка. Вспомним пример о Солнечной системе из моей статьи. Много веков было известно, что в споре со сторонниками Птолемея прав Коперник, а Ньютон прав в споре с последователями Декарта. Зная это, историк может оценить силу эстетического суждения в работе Коперника и математическую креативность и философскую объективность в работе Ньютона.

Сильверштейн верно говорит о том, что прогресс в науке продолжается (по крайней мере я на это надеюсь). Однако некоторые представления уже не изменятся. Действительно, после опровержения теорий флогистона и теплорода в XIX в. в точных науках больше не было общепринятых теорий, которые оказались бы в корне неверными. Расчет возраста Земли и Солнца, выполненный лордом Кельвином, о котором вспоминает Сильверштейн, не слишком хороший контрпример, даже учитывая, что возраст, определенный Кельвином, как теперь известно, был слишком мал. Его результаты не получили широкого признания, наоборот, они решительно опровергались геологами и биологами, поскольку для эволюционного развития жизни требовалось гораздо больше времени. Кельвин и сам понял, что Земля и Солнце могут быть старше, чем он рассчитал, если «некоторые новые источники [теплоты], неизвестные нам сейчас, были приготовлены в великой сокровищнице Сотворения»[61]61
  W. Thomson (Lord Kelvin), Philosophical Magazine 23 (February 1862): 158–160; reprinted in Wm. Thomson, Lord Kelvin, Mathematical and Physical Papers, ed. J. Larmor, vol. 5 (Cambridge: Cambridge University Press, 1911), 141–144.


[Закрыть]. Тогда он не знал о ядерных реакциях, которые обеспечивают теплотой Землю и Солнце, но потрудился оценить вклад в тепловой баланс, обусловленный столкновениями Солнца с метеоритами.

Речь не о том, что, как только успешная теория создана и обоснована, наше понимание описываемых ею процессов больше никогда не изменится. С появлением общей и специальной теории относительности стало ясно, что законы движения и гравитации Ньютона являются приближенными и что они справедливы для тел, которые движутся в не слишком сильных гравитационных полях со скоростями много меньше скорости света. Однако это открытие не сделало работу Ньютона ошибочной и не воскресило теории Декарта. Как раз наоборот, теория относительности объяснила, почему теория Ньютона работает, когда она работает. В будущем теория относительности, несомненно, претерпит аналогичное переосмысление, возможно, в рамках теории струн, однако это уже не изменит наше виговское признание успехов Эйнштейна.

Еще Сильверштейн приписал мне точку зрения, согласно которой виговскими могут быть только историки науки, а остальные не могут. В своей статье я не собирался отказывать кому-либо в виговском понимании, однако я действительно не вижу, как такой подход может приниматься в истории искусства. Несколько лет назад Ричард Рорти обрушился на меня с критикой за это: «Он что, действительно не согласен с теми, кто считает, что поэты и художники стоят на плечах своих предшественников и аккумулируют знания о том, как писать поэмы и рисовать картины?»[62]62
  Вуттон Д. Изобретение науки. – М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2018.


[Закрыть]

Да, я не согласен. Я не считаю, что в XX в. поэты и художники знали о своем ремесле больше, чем в XIX в. Какими бы прекрасными ни были некоторые поэмы и картины, созданные в XX в., я не знаю ни одного произведения, которое бы превзошло работы Китса или Моне, например. Конечно, это дело вкуса, вопрос, который нельзя решить каким-то исследованием, в отличие от вопроса о возрасте Земли. Но именно поэтому виг-интерпретация имеет смысл в истории науки и не имеет смысла в истории искусства.

II
Физика и космология

9
Что такое элементарная частица?

Текст этой главы был опубликован в 1997 г. в весеннем выпуске научно-популярного журнала Beam Line, который издается Национальной ускорительной лабораторией SLAC. Это был специальный выпуск, посвященный столетию открытия Томсоном электрона, первой частицы из тех, что мы теперь называем элементарными.

Текст статьи был написан раньше всех остальных в этом сборнике, тем не менее он все еще актуален и имеет непосредственное отношение к проблемам современной физики. И действительно, перечитав его спустя 20 лет после написания и спустя 120 лет после открытия электрона, я испытал некоторое сожаление из-за того, что вопрос, вынесенный в заголовок, все еще остается без ответа.

Если незнакомец, услышав, что я физик, спрашивает меня, в какой области физики я работаю, обычно я отвечаю, что занимаюсь теорией элементарных частиц, после чего всегда начинаю нервничать. Я жду следующего вопроса: «А что такое элементарная частица?», отвечая на который я должен буду признать, что на самом деле этого никто не знает.

Для начала хочу заявить, что объяснить значение термина «частица» совсем не сложно. Частица – это просто физическая система, у которой нет непрерывных степеней свободы, за исключением ее полного импульса. Например, мы можем полностью описать состояние любого электрона, указав его импульс и спин относительно любой заданной оси. (Спин – это величина, которая в квантовой механике может принимать только дискретное, а не непрерывное множество значений.)

С другой стороны, система, состоящая из свободного электрона и свободного протона – это уже не частица, поскольку, чтобы описать такую систему, нужно указать две непрерывные величины, то есть моменты и электрона, и протона, а не просто их сумму. Однако если электрон и протон связаны, как, например, в атоме водорода, находящемся на низшем энергетическом уровне, то вместе они образуют частицу. Любой согласится, что атом водорода – это не элементарная частица, но далеко не всегда так уж просто провести подобное разграничение или хотя бы даже сказать, что оно значит.

Несколько десятилетий, в начале XX в., казалось, что нет никаких проблем в том, чтобы объяснить, что такое элементарная частица. Томсон с помощью электрического поля в электронно-лучевой трубке смог оторвать электроны от атомов, так что атомы оказались не элементарными. От самих электронов невозможно ничего отделить, поэтому электроны считались элементарными. Когда в 1911 г. в лаборатории Эрнеста Резерфорда было доказано существование атомных ядер, предполагалось, что они не являются элементарными, поскольку было известно, что некоторые радиоактивные ядра испускают электроны и другие частицы, а кроме того, заряд и массу ядер можно было объяснить, допустив, что ядра состоят из двух типов элементарных частиц – легких, отрицательно заряженных электронов и тяжелых, положительно заряженных протонов.

Несмотря на отсутствие четкого определения термина «элементарная частица», мысль о том, что вся материя состоит всего из двух типов элементарных частиц, оказалась очень живучей и всепроникающей, как это ни странно с современной точки зрения. Например, когда в 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, общепринятым было предположение, что нейтроны – это некое сильно связанное состояние протонов и электронов. В своей статье, рассказывающей об открытии, Чедвик высказал мнение: «Конечно, можно предположить, что нейтрон – это элементарная частица. На текущий момент в пользу этой точки зрения очень мало аргументов, но одним из них является возможность объяснить статистические данные по ядру азота-14»[63]63
  Говоря о «статистике», Чедвик имел в виду различия, которые разделяют все частицы (элементарные или нет) на два класса, названные бозонами и фермионами. Состояние любой системы полностью симметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных бозонов: оно не изменяется, если два тождественных бозона поменять местами. Наоборот, состояние системы антисимметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных фермионов; то есть волновая функция, которая описывает состояние в квантовой механике, меняет свой знак на противоположный при перестановке двух тождественных фермиона. Например, электроны и протоны – фермионы; фотоны (частицы света) и атомы водорода – бозоны.


[Закрыть]. (Некоторые могут подумать, что это очень весомый аргумент: исследование молекулярного спектра показало, что ядро азота-14 является бозоном, а это невозможно, если оно представляет собой связанное состояние протонов и электронов[64]64
  Чтобы наблюдались правильные значения полных массы и заряда атома азота-14 из протонов и электронов, атом должен состоять из 14 протонов и семи электронов, что в сумме составит 21 фермион, однако любая частица, составленная из нечетного числа фермионов, будет фермионом, а не бозоном.


[Закрыть].) И только открытие независимости сил ядерного взаимодействия от электрического заряда, сделанное в 1936 г. Мерлом Тьювом и его коллегами, ясно показало, что нейтроны и протоны должны рассматриваться с одинаковых позиций: если протоны – это элементарные частицы, тогда и нейтроны должны быть элементарными тоже[65]65
  Зарядовая инвариантность – это принцип, согласно которому ядерные силы не изменятся, если в уравнениях, описывающих эти силы, мы заменим протоны на нейтроны, а нейтроны – на протоны или даже если мы заменим и протоны, и нейтроны на различные комбинации протонов и нейтронов.


[Закрыть]. Сегодня зачастую используют общий термин «нуклон», когда говорят о протонах и нейтронах.

С этого начался существенный рост списка так называемых элементарных частиц. В 1937 г. он пополнился мюонами (хотя вплоть до недавнего времени их природа была неясна)[66]66
  Мюоны – это частицы, которые, как теперь известно, ведут себя как электроны, только имеют массу примерно в 210 раз больше.


[Закрыть], а пионы и странные частицы были открыты в 1940-х гг.[67]67
  Пионы и странные частицы – это сильно взаимодействующие частицы, которые возникают при столкновении протонов и нейтронов высоких энергий. Некоторые из этих частиц были названы «странными», поскольку, в отличие от пионов, они не могут возникать поодиночке, но только совместно с другими странными частицами.


[Закрыть] В 1930 г. Вольфганг Паули высказал предположение о существовании новых частиц – нейтрино, которые затем в 1933 г. вошли в теорию бета-распада Энрико Ферми, однако обнаружить эти частицы удалось только в 1955 г. в эксперименте Райнеса – Коуэна[68]68
  Бета-распад – это процесс радиоактивного распада, когда в атомном ядре нейтрон превращается в протон; или, наоборот, испуская при этом быстрый электрон или антиэлектрон и антинейтрино или нейтрино. Нейтрино и антинейтрино – это практически безмассовые частицы, не имеющие электрического заряда.


[Закрыть]. Позже, в конце 1950-х гг., благодаря ускорителям и пузырьковым камерам удалось открыть огромное множество новых сильно взаимодействующих частиц, более тяжелых родственников нуклонов и пионов.

Теоретики полагали, что типов элементарных частиц не должно быть слишком много, а значит, большая их часть состоит из ограниченного набора типов элементарных частиц. Однако для таких связанных состояний должны быть характерны очень сильные взаимодействия, которые не наблюдались в атомах или атомных ядрах. Например, пионы намного легче нуклонов и антинуклонов, поэтому если пион – это связанное состояние нуклона и антинуклона, как предполагали Ферми и Чжэньнин Янг, тогда его отрицательная энергия связи должна быть достаточно большой, чтобы скомпенсировать почти всю массу составляющих частиц. Составная природа такой частицы далеко не очевидна.

Каким образом можно определить, какие частицы являются элементарными, а какие – составными? Как только этот вопрос был сформулирован, стало понятно, что старый ответ, согласно которому частицы признаются элементарными, если от них невозможно ничего отделить, уже неверен. Пионы образуются, когда протоны сталкиваются друг с другом, а протоны и антипротоны испускаются при столкновении пионов с достаточно высокими энергиями, так что из чего состоит? Джеффри Чу и другие исследователи в 1950-х гг. превратили эту дилемму в принцип, известный теперь как «ядерная демократия», который гласит, что любая частица может считаться связанным состоянием любых других частиц, имеющих соответствующий заряд, спин и т. д. Позже, в 1975 г., эта точка зрения получила свое отражение в докладе Вернера Гейзенберга для Немецкого физического сообщества, где он отметил:

Эта новая ситуация подтверждалась в экспериментах 1950–1960-х гг. снова и снова; было найдено множество новых частиц с разными временами жизни, но ответа на вопрос «из чего состоят эти частицы?» по-прежнему не было. Протон можно получить из нейтрона и пиона, или из лямбда-гиперона и каона, или из двух нуклонов и одного антинуклона и т. д. Можем ли мы в таком случае просто утверждать, что протон состоит из непрерывной материи? Подобное утверждение будет одновременно верным и ошибочным: между элементарными частицами и составными системами нет принципиальной разницы. Вероятно, это важнейший экспериментальный результат последних 50 лет[69]69
  Werner Heisenberg, “The Nature of Elementary Particles,” Physics Today 29, no. 3 (March 1976): 33.


[Закрыть].

Задолго до того, как Гейзенберг пришел к этому слегка преувеличенному заключению, широкое распространение получило другого рода определение элементарной частицы. С позиций квантовой теории поля, разработанной Гейзенбергом, Паули, Виктором Вайскопфом и другими в период с 1926 по 1934 г., основными компонентами природы являются не частицы, а поля. Частицы, такие как электрон и фотон, представляют собой сгустки энергии электронного поля и электромагнитного поля, соответственно. Будет естественным назвать элементарной такую частицу, поле которой фигурирует в фундаментальных полевых уравнениях, или, как обычно формулируют теоретики, в функции, называемой лагранжианом системы, из которой можно вывести все полевые уравнения. Не имеет значения, является частица легкой или тяжелой, стабильной или нет: если ее поле появляется в лагранжиане, то частица элементарная, а если не появляется, тогда нет.

Это прекрасное определение, если полевые уравнения или лагранжиан известны, но на протяжении долгого времени физики их не знали. Большое количество теоретических работ в 1950-х и 1960-х гг. было посвящено попыткам найти некоторые объективные методы определения, является та или иная частица элементарной или составной, если фундаментальная теория неизвестна. Оказалось, что при определенных условиях это можно сделать в нерелятивистской квантовой механике, если элементарную частицу определить как частицу, координаты и скорость которой появляются в лагранжиане системы. Например, теорема математика Нормана Левинсона показывает, как посчитать число типов стабильных неэлементарных частиц за вычетом числа типов нестабильных элементарных частиц через изменения фазовых сдвигов при увеличении энергии движения от нуля до бесконечности[70]70
  Фазовые сдвиги – это функции от энергии, используемые в квантовой механике для описания рассеяния частиц при столкновениях.


[Закрыть]. Сложность в использовании этой теоремы связана с тем, что она оперирует фазовыми сдвигами при бесконечной энергии, когда приближение нерелятивистского рассеяния, используемое при выводе теоремы, очевидно нарушается.

В 1960-х гг. я был сильно озадачен этой проблемой, но тогда мне только удалось показать, что дейтрон (ядро тяжелого водорода) состоит из протона и нейтрона[71]71
  Дейтрон – это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода.


[Закрыть]. Не самое выдающееся достижение, – все уже и так догадались, что дейтрон является составной частицей, – однако я показал это на основе только нерелятивистской квантовой механики и данных о низкоэнергетическом нейтрон-протонном рассеянии без использования каких-то специальных допущений о лагранжиане или о процессах, происходящих при высоких энергиях. Существует классическая формула для расчета вероятности нейтрон-протонного рассеяния через массу нуклона и энергию связи дейтерия, но вывод этой формулы основан на предположении о том, что дейтрон состоит из протона и нейтрона. Если мы вместо этого предположим, что лагранжиан содержит элементарное состояние дейтрона, тогда эта формула окажется неверной и мы получим соотношение, в которое входят не только масса нуклона и энергия связи дейтерия, но еще и доля времени, когда дейтрон существует как элементарная частица. Сопоставление расчетов по этим формулам с экспериментальными данными показало, что время, в течение которого дейтрон существует как элементарная частица, составляет менее 10 % от времени его жизни. К сожалению, аргументы подобного рода не могут быть использованы для анализа сильно связанных состояний, которые возникают в некоторых теориях элементарных частиц.

Отсутствие какой-либо чисто эмпирической методики, позволяющей различать составные и элементарные частицы, не означает, что такое разделение бесполезно. В 1970-е гг. казалось, что различия между элементарными и составными частицами будут более очевидными после того, как стала общепринятой квантово-полевая теория элементарных частиц, известная как Стандартная модель. Существует шесть вариантов, или ароматов, кварков, каждый из которых имеет три цвета – это что-то вроде электрического заряда; шесть ароматов лептонов, к которым относится электрон; и 12 частиц, которые называются калибровочными бозонами. В число этих 12 частиц входит фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие, восемь глюонов, которые переносят сильное ядерное взаимодействие, а также W⁺-, W^–– и Z⁰-частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие. Протон, нейтрон и все сотни сильно взаимодействующих частиц, обнаруженные после Второй мировой войны, в итоге оказались неэлементарными; они состоят из кварков, антикварков и глюонов. Речь не идет о том, что мы можем отделить кварки, антикварки и глюоны от этих неэлементарных частиц. Считается, что это невозможно. Точнее будет сказать, что кварки, антикварки и глюоны считаются элементарными, поскольку их поля фигурируют в уравнениях теории.

Единственной не ясной пока стороной Стандартной модели является механизм нарушения симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий, который придает W– и Z-частицам их массы. Если бы у W– и Z-частиц не было массы, то они имели бы всего два спиновых состояния, как у невесомого фотона с его правой и левой поляризацией, тогда как массивные частицы со спином 1 имеют три спиновых состояния; таким образом, нарушение симметрии, в результате которой W– и Z-частицы получают массу, добавляет дополнительные спиновые состояния W– и Z-частицам. Теории нарушения электрослабой симметрии можно разделить на две категории в зависимости от того, являются ли дополнительные квантовые состояния элементарными, как в исходной форме Стандартной модели, или составными, как в теориях техницвета. В некоторой степени основная задача, для решения которой проектировались Большой адронный коллайдер и злополучный Сверхпроводящий суперколлайдер, заключалась в том, чтобы окончательно решить вопрос, каким частицам соответствуют дополнительные спиновые состояния W– и Z-частиц – элементарным или составным[72]72
  Этот вопрос был разрешен с открытием бозона Хиггса, описанным в главах 12 и 13. Дополнительные спиновые состояния W– и Z-частиц являются элементарными и связаны с бозоном Хиггса симметриями теории электрослабого взаимодействия.


[Закрыть].

На этом история могла бы закончиться, но с конца 1970-х гг. наше понимание квантовой теории поля сделало еще один поворот. Мы осознали, что любые частицы при достаточно низких энергиях могут быть описаны с помощью полей, входящих в так называемые эффективные квантовые теории, независимо от того, являются ли эти частицы элементарными или нет. Например, даже если поля нуклонов и пионов не появляются в уравнениях Стандартной модели, мы можем рассчитать скорости процессов с участием низкоэнергетических пионов и нуклонов с помощью эффективной квантовой теории поля, в которой фигурируют поля пионов и нуклонов, а не кварков и глюонов. В рамках такой теории пионы и нуклоны являются элементарными частицами, а атомные ядра – нет. Если мы используем теорию поля подобным образом, мы просто следуем общим принципам релятивистских квантовых теорий с учетом соответствующих симметрий; на самом деле мы не делаем никаких допущений о фундаментальных физических структурах.

С этой точки зрения мы имеем право говорить только о том, что кварки и глюоны «более элементарны», чем нуклоны и пионы, поскольку их поля фигурируют в Стандартной модели – теории, которая применима в более широком диапазоне энергий, чем эффективная теория поля, описывающая нуклоны и пионы при низких уровнях энергии. Мы не можем прийти к какому-то окончательному решению об элементарности самих кварков и глюонов. Стандартная модель является, вероятно, только эффективной квантовой теорией поля, приближением к более фундаментальной теории, для раскрытия деталей которой потребуются энергии частиц, намного превышающие возможности современных ускорителей, и возможно, в этой теории можно будет вообще обойтись без кварков, лептонов или калибровочных полей.

Есть вероятность, что кварки, лептоны и другие частицы Стандартной модели сами состоят из еще более элементарных частиц. Тот факт, что мы не видим структуру кварков и лептонов, говорит только о том, что энергия связи в этих частицах должна быть довольно высока – больше нескольких триллионов электронвольт. И на сегодняшний день никому пока не удалось разработать убедительную теорию для таких систем.

Мы не сможем дать окончательный ответ на вопрос, какие из частиц являются элементарными, пока у нас не будет окончательной теории взаимодействий и теории материи. Когда у нас появится такая теория, мы, возможно, обнаружим, что элементарные физические структуры вовсе не являются ни частицами, ни полями. Многие теоретики считают, что фундаментальная теория должна представлять собой что-то вроде теории струн, в которой кварки, лептоны и т. д. всего лишь различные моды колебаний элементарных струн. А определить какой-то один набор струн в качестве элементарных, кажется, невозможно в принципе, поскольку, как недавно стало понятно, разные теории струн с разными типами струн зачастую эквивалентны.

Из всего этого можно вынести один урок. Задача физики не в том, чтобы ответить на набор неизменных вопросов о природе, вроде вопроса об элементарных частицах. Мы не знаем заранее, как правильно сформулировать вопрос, и зачастую мы сможем это выяснить, только когда окажемся близки к ответу на него.