Вернер Гейзенбер - Шаги за горизонт

• Название: Шаги за горизонт
• Автор: Вернер Гейзенбер
• Издательство: Прогресс
• Жанр: Философия
• Год: 1987

В. Гейзенберг — один из пионеров современной теоретической физики, который закладывал основы атомной физики. С не меньшей смелостью и глубиной ставил и решал он связанные с нею философские, логические и гуманитарные проблемы.

Сборник составлен на основе двух книг В. Гейзенберга: «Шаги за горизонт» (1973) и «Традиция в науке» (1977). В нем дается теоретико-познавательное, гносеологическое осмысление новейших научных достижений, путей развития теоретической физики.

Издание рассчитано как на философов, так и на широкий круг ученых-естествоиспытателей.

---

Что касается результатов, то важнейших приложений наших познаний физики частиц следует, по-видимому, ожидать в области ядерной физики. Силы взаимодействия между протоном и нейтроном как составными частями ядра пока еще недостаточно изучены. Существуют феноменологические описания этих сил, в какой-то мере соответствующие расчетам стационарных состояний ядер; но уже определить силы взаимодействия между тремя телами удается лишь с гораздо меньшей точностью. Эти силы, по-видимому, в значительной степени возникают вследствие обмена частицами, прежде всего бозонами (π-мезонами, ρ-мезонами и т. д.)[53], так что изучение частиц и их взаимодействия расширяет наше знание внутриядерных сил.

В этой связи представляется вероятным будущее влияние физики частиц на астрофизику. Как известно, новейшие наблюдения показали, что существуют звезды чрезвычайно высокой плотности, вещество которых на величину порядка 1015 плотнее материи в ее нормальном состоянии. Эти звезды, так называемые пульсары или нейтронные звезды, состоят, по-видимому, из нейтральной ядерной материи. Взаимодействия, обусловливающие физические свойства материи таких звезд, должны быть аналогичны взаимодействиям внутри атомных ядер, если отвлечься от гравитации, которая играет решающую роль внутри звезд, но не внутри ядер. У звезд с массой, значительно превышающей массу Солнца, следует ожидать более сильного сжатия вследствие гравитации, а это значит, что ядерная физика не может дать никакой информации о внутренней структуре материи такой плотности. Но если полностью прояснятся законы природы, на которых основывается существование элементарных частиц, то знание этих законов предоставит, возможно, достаточную информацию об условиях внутри таких астрофизических объектов, включая и знаменитые черные дыры.

Итак, физика частиц имеет интересные области применения в физике твердого тела, в ядерной физике и в астрофизике, и все же применений этих недостаточно, чтобы объяснить огромный интерес людей к физике частиц и затрачиваемые на нее огромные усилия. Как раз в последние годы поднят вопрос о том, не могут ли законы природы, с помощью которых интерпретируется поведение частиц, служить универсальной базой для всех ветвей физики, т. е. не идет ли здесь речь о фундаментальном законе. Собственно говоря, атомная физика, или учение об атоме, с самого начала ставила себе целью выявление фундаментальных законов, которые позволили бы достичь понимания природы. К данному аспекту проблемы я хотел бы вернуться в последней части своего доклада, а пока остановлюсь на грандиозной экспериментальной и технической работе в области физики элементарных частиц.

С экспериментальной точки зрения физика частиц есть естественное продолжение или расширение физики атома и физики ядра. На другие части атома, на его электронные оболочки, стоявшие в центре внимания физиков в начале 20-х годов, можно воздействовать с помощью незначительных сил. Электрические и магнитные поля позволяли вызвать изменения, зримо отражавшиеся в спектре атомов. Электроны, ускоренные в разрядной трубке при напряжении в несколько вольт, могли приводить атом в возбужденное состояние, и излучавшийся таким атомом свет предоставлял ученому ценную информацию о динамической структуре оболочки. Соответственно тогдашние опыты проводились в небольших лабораториях с помощью оборудования, крайне дешевого в сравнении с инструментарием современных исследовательских институтов. Изучение атомного ядра с помощью такого оборудования оказалось невозможным. Чтобы привести ядро в возбужденное состояние, необходима энергия, примерно в миллион раз большая, чем та, которая используется для возбуждения электронных оболочек.

Поэтому Кокрофт и Уолтон сконструировали высоковольтную установку, или каскадный генератор, Лоуренс[54] построил циклотрон, и с помощью протонов, ускорявшихся под напряжением порядка миллиона вольт, удалось приводить атомные ядра в возбужденное состояние, превращать их в другие ядра и образовывать из них многие новые, нестабильные радиоактивные ядра. Параллельно изобретались новые инструменты для фиксирования фрагментов ядра — разнообразные счетчики, камеры Вильсона,х автоматически начинавшие действовать в начале процесса; разрабатывались новые методики замера столкновений. Таким путем ядерная физика стала важной отраслью науки в 30-е годы еще прежде того, как Отто Ган открыл расщепление урана, проторив дорогу неслыханному техническому развитию. Практические применения и их политические последствия смогли теперь, по крайней мере задним числом, послужить оправданием для крупных ассигнований, в которых нуждались ядерные исследования. Нет ничего удивительного в том, что ассигнования на ядерные исследования в США за годы войны возросли до миллиардов долларов и отношение общества к современной технологии радикально изменилось. Оставалась, правда, еще третья ступень, которую физики предвидели еще до войны.

В космическом излучении иногда обнаруживаются частицы с энергией, в тысячу и более раз превышающей энергии, потребные для превращения ядра. Столкновение подобных частиц могло привести к превращению или расщеплению даже тех объектов, которые считались элементарными частицами, последними неделимыми единицами материи, а именно протонов и электронов. Теоретические соображения позволяли предположить, что при столкновении двух элементарных частиц очень высоких энергий могут возникнуть новые частицы, а при известных обстоятельствах множество частиц, причем подобные процессы не следует рассматривать как деление, расщепление или возбуждение частиц; здесь надо говорить о превращении энергии в материю. В предвоенных экспериментах с космическим излучением были получены некоторые результаты, ориентировавшие мысль ученых в этом направлении, но ни один эксперимент не дал недвусмысленных свидетельств в пользу возможности образования многих частиц.

В послевоенное время физики рассмотрели поэтому возможность постройки гигантских ускорителей в целях систематического исследования названных процессов. Для осуществления подобных планов требовались такие технические усилия и такие ассигнования, которые выходили далеко за рамки всего того, что запрашивалось ранее для финансирования фундаментальных исследований. Но, с одной стороны, американское правительство привыкло за годы войны ассигновывать очень большие суммы на ядерное исследование, а с другой — проблема мельчайших единиц материи представлялась столь важной и столь захватывающей, что работы в данной области начались без промедления. Известно, что в последующие два десятилетия строились все более крупные ускорители. Первым был космотрон в Брукхейвене с энергией ускоренных протонов на 3 ГэВ, затем вступили в строй беватрон в Беркли на 6 и новый ускоритель в Брукхейвене на 30 ГэВ, а также ускоритель Европейского центра ядерных исследований в Женеве; к ним присоединились русские машины в Дубне на 10 и в Серпухове на 70 ГэВ[55]. В настоящее время наибольшие энергии достигаются на ускорителе «Батавия» и на накопительных кольцах в Женеве. Не берусь описывать почти невероятную точность и надежность, необходимую для обеспечения функционирования подобных установок, а также громадные технические мощности, потребные для их постройки. Можно только удивляться подвигу инженеров и физиков, решивших эти задачи.

По мере своего развития физика элементарных частиц стала составной частью того, что носит имя большой науки; и поскольку в нашем мире за все нужно платить, стиль экспериментальной физики в ходе этой экспансии поневоле должен был круто измениться. Признаться, перед лицом происшедших изменений я постоянно испытываю несколько беспокойное чувство, и мне поэтому хотелось бы подробнее разобраться в нем. Проблема не только в том, что стоимость большого ускорителя достигает миллиардов долларов и что его строительство растягивается на долгие годы. Для столь большого инженерного проекта тут нет ничего необычного, и к изменению характера фундаментального исследования в физике это почти не имеет отношения. Подлинная проблема в том, что даже один-единственный эксперимент с таким ускорителем требует длительной фазы планирования, больших ассигнований и долгих лет работы большого количества участников. Лишь тогда есть шанс довести его до конца.

А теперь возвратимся ненадолго к прежним временам. Вспоминая об одном из ранних экспериментов лорда Резерфорда в Монреале в Университете Макгилла, Нильс Бор описал его следующим образом. Однажды, занятый исследованием поведения радиоактивных веществ, Резерфорд подумал, что при распаде радия должен возникать инертный газ, получивший позднее название радона, или эманации радия, и предположил, что удастся довести этот газ при очень низких температурах до жидкого состояния, сконцентрировать его таким путем и исследовать его свойства. Резерфорд заказал в Европе низкотемпературное оборудование, и, когда оно пришло морем в Монреаль, ни одному сотруднику института не было разрешено покидать здание до окончания эксперимента. Каждый был обязан помогать в монтаже установки, при подготовке счетчиков к работе и т. д., ассистентам велели работать всю ночь, и действительно, через 36 часов сжижение удалось, существование радона было доказано. Можете представить себе радость Резерфорда, когда он убедился, что его догадка верна, и удовлетворение ассистентов, сумевших ее непосредственно подтвердить.