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.

---

Не обращая внимания на эту сложность, Вольдемар Фогт построил в Геттингене в 1912 году теорию аномального эффекта Зеемана для D-линий в оптическом спектре натрия, поступив следующим образом. Он взял два связанных осциллятора, которые при отсутствии внешнего магнитного поля воспроизводили частоты обеих D-линий. Ему удалось связать осцилляторы друг с другом и с внешним полем таким образом, что в слабых магнитных полях он получил без отклонений аномальный эффект Зеемана, а в очень сильных магнитных полях правильно воспроизводился также и эффект Пашена — Бака. Для промежуточной области средних полей частоты и интенсивности выражались длинными и сложными квадратными корнями — словом, получились прямо-таки необъятные формулы, очень точно соответствовавшие, однако, экспериментальным данным. Пятнадцатью годами позже мы с Йорданом взяли на себя труд просчитать ту же задачу методами квантовомеханической теории возмущений. К нашему величайшему изумлению мы получили в точности старые фогтовские формулы как для частот, так и для интенсивностей, причем также и в сложной области средних полей.

Впоследствии нам удалось вполне понять причину такого совпадения; все дело было в математической формулировке. Квантовомеханическая теория возмущений дает систему связанных линейных уравнений, частоты определяются из собственных значений системы. Система связанных гармонических осцилляторов в классической теории тоже дает аналогичную систему связанных линейных уравнений. Поскольку важнейшие параметры в теории Фогта были приведены в соответствие с экспериментальными данными, не было ничего удивительного в том, что получился правильный результат. Но для понимания строения атома теория Фогта ничего не дала.

Почему попытка Фогта оказалась, с одной стороны, столь успешной, а с другой — столь бесполезной? Потому, что Фогт рассматривал только D-линии, не принимая во внимание всего спектра линий. Ограничиваясь феноменологией, Фогт использовал один определенный аспект гипотезы осцилляторов и не учел или сознательно оставил в тумане все прочие несообразности этой модели. Иначе говоря, он просто не принял свою гипотезу по-настоящему всерьез. Боюсь, что и люди, выдвинувшие гипотезу о кварках, тоже сами не принимают ее всерьез. Вопросы о статистике кварков, о сцепляющих их силах, о частицах, соответствующих этим силам, о том, почему кварки не обнаруживаются в качестве свободных частиц, об образовании пар кварков внутри элементарной частицы — все эти вопросы более или менее оставлены в тумане. Если уж подходить к кварковой гипотезе по-настоящему всерьез, то следовало бы произвести точную математическую оценку динамики кварков и сцепляющих их сил, показав, что эта оценка по меньшей мере качественно способна правильно соответствовать многим установленным к настоящему времени чертам физики частиц. Не должно быть ни одного вопроса физики частиц, к которому было бы невозможно применить такой метод. Попытки в этом направлении мне неизвестны, и боюсь, что любая подобная попытка, описанная точным математическим языком, будет очень скоро опровергнута. Сформулирую свои возражения в форме вопроса: «В большей ли мере гипотеза кварков помогает понять спектр элементарных частиц, чем в свое время осцилляторная гипотеза Фогта помогала понять строение атомных оболочек? Не прячется ли за гипотезой о кварках все то же давно опровергнутое экспериментами представление, будто есть возможность отличить друг от друга простые и составные частицы?»

Вкратце коснусь еще нескольких частных вопросов. Если группа SU3 имеет большое значение для структуры спектра частиц — а на основании экспериментов мы обязаны так считать, — то важно решить, идет ли тут речь о фундаментальной симметрии основополагающего закона природы или о динамической симметрии, заведомо имеющей лишь приблизительную приложимость. Если не дать здесь четкого ответа, то и все последующие допущения относительно динамики, лежащей в основе спектров, останутся шаткими, не давая никакой пищи для понимания. Высшие симметрии, например, SU4, SU6, SU12, SU2 X SU2 и т. д., можно с большой вероятностью считать динамическими симметриями, и они могут оказаться полезными при феноменологическом описании; но их эвристическую ценность, на мой взгляд, можно было бы сравнить с эвристической ценностью циклов и эпициклов в астрономии Птолемея. Они позволяют строить лишь очень косвенные догадки о структуре основополагающего закона природы[68].

В заключение пару слов о важнейших экспериментальных достижениях последних лет. Недавно открыты бозоны относительно большой массы порядка 3–4 ГэВ и с большой продолжительностью жизни. Наличия подобных стационарных состояний в принципе вполне следовало ожидать, как это подчеркивал в особенности Г. П. Дюрр. Можно ли на основании той их особенности, что они имеют большую продолжительность жизни, считать их предположительно состоящими из других, уже известных долгоживущих частиц — это, естественно, трудный вопрос, затрагивающий всю сложнейшую динамику физики многих частиц. Но тем не менее мне показалась бы совершенно излишней спекуляцией попытка ввести ad hoc какие-то новые частицы, из которых должны якобы состоять названные объекты. Фактически это была бы все та же ложная постановка вопроса, ничего не дающая для понимания спектра.

Далее, аккумулирующие кольца женевского ускорителя и ускоритель «Батавия» позволили замерить все полные эффективные сечения для столкновений протонов с протонами при очень высоких энергиях. При этом оказалось, что эффективные сечения возрастают примерно пропорционально квадрату логарифма энергии — явление, давно уже теоретически предсказанное для асимптотической области. Эти данные, полученные также и при столкновении других частиц, позволяют предположить, что на больших ускорителях асимптотическая область уже достигнута, и поэтому там тоже не приходится ожидать никаких сенсаций.

Да и вообще во всех этих новых экспериментах не нужно уповать на появление Deus ex machina, который вдруг сделает понятным спектр частиц. Ведь эксперименты последних 50 лет уже дают вполне удовлетворительный с качественной стороны, непротиворечивый и окончательный ответ на вопрос: «Что такое элементарная частица?» А количественная сторона частных деталей — как, скажем, в квантовой химии — может проясниться лишь в ходе многолетней кропотливой работы физиков и математиков, на не вдруг.

Я вправе поэтому закончить свой доклад оптимистическим предвкушением будущих достижений физики элементарных частиц, которая, на мой взгляд, обещает сделать большие успехи. Новые экспериментальные данные всегда обладают большой ценностью, даже если вначале они лишь пополняют графы наших таблиц; но особенно интересны они тогда, когда отвечают на критические вопросы теории. В теории надлежит попытаться без всяких полуфилософских предрассудков построить точные гипотезы относительно основополагающей динамики материи. И нужно принять эти гипотезы всерьез, то есть не довольствоваться смутными догадками, когда главное плавает в тумане. Ибо спектр частиц удастся понять лишь тогда, когда станет известна лежащая в его основе динамика материи; в этой динамике вся суть дела. Все прочее останется лишь своего рода словесной иллюстрацией к своду таблиц, да и тогда таблицы будут более содержательными, чем такая словесная иллюстрация

Понятие замкнутой теории в современной естественной науке[69]

Физическое истолкование современной квантовой теории поставило некоторые фундаментальные теоретико-познавательные проблемы, затрагивающие понятие истинности естественнонаучных теорий вообще. Чтобы понять критерии, которыми мы руководствуемся, рассматривая сегодня притязания таких теорий на истинность, имеет смысл обратиться к истории и проследить, как с течением времени в ходе развития естественных наук менялись их цели и устремления. Поэтому, прежде чем переходить к обсуждению принципиальных вопросов, начнем с краткого исторического обзора.

1. Вспомним о первых шагах современного естествознания в XVI и XVII столетиях. Изучая движения звезд как феноменов, обладающих особой важностью и возвышенностью, Кеплер стремился познать гармонию сфер. Он полагал, что тем самым непосредственно приближается к познанию планов божественного творения. Мысль о том, что каждый процесс на Земле пронизан математическими связями, была ему совершенно чужда.

Ньютон не довольствовался формулировкой отдельных законов исключительной математической красоты. Он хотел дать простое объяснение механическим процессам — задача, как он понимал, практически необъятная. Но он надеялся установить основные понятия и законы, с помощью которых такое объяснение окажется возможным хотя бы в будущем. Ньютон связал основные понятия посредством ряда аксиом, поддававшихся непосредственному переводу на язык математики, и таким образом впервые создал возможность отобразить в математическом формализме бесконечное множество явлений. Отдельные сложные процессы могли быть таким путем поняты и «объяснены» как следствие основных законов. Даже если сам процесс еще не наблюдался, его исход можно было «предсказать», зная начальные условия и физические законы.