Вернер Гейзенбер - Шаги за горизонт

Хотя экспериментальные результаты последних лет вряд ли дают повод сомневаться в том, что атомная физика будет развиваться в этом направлении, до сих пор еще не удалось определить математически закономерности образования элементарных частиц. В настоящий момент атомная физика как раз занимается этой проблемой. Она решает ее как экспериментально — путем открытия новых частиц и исследования их свойств, — так и теоретически, стараясь законосообразно связать свойства элементарных частиц и записать их в математических формулах.

В этих попытках и всплыли те трудности с понятием времени, о которых я говорил выше. Изучая соударения элементарных частиц предельно высоких энергий, следует принимать в расчет пространственно-временную структуру специальной теории относительности. В квантовой теории атомных оболочек эта пространственно-временная структура не играет существенной роли, потому что электроны атомных оболочек движутся относительно медленно. Здесь же имеют дело с элементарными частицами, движущимися почти со скоростью света. Их поведение можно, следовательно, описать только с помощью теории относительности. Эйнштейн пятьдесят лет назад обнаружил, что структура пространства и времени не столь проста, как мы представляем ее на основании повседневного опыта. Если мы называем прошлыми все те события, о которых мы можем, хотя бы в принципе, что-либо узнать на опыте, а будущими — те, на которые мы еще можем, хотя бы в принципе, воздействовать, то мы полагаем — в соответствии с нашим наивным представлением, — что между этими двумя группами находится бесконечно краткий момент, который можно назвать настоящим. Именно такое представление Ньютон и положил в основу своей механики.

После того открытия, которое Эйнштейн сделал в 1905 году, мы знаем, что между событием, названным мной будущим, и событием, названным мной прошлым, лежит конечный временной промежуток, величина которого зависит от пространственного расстояния между событием и наблюдателем [46] 39 Так как все взаимодействия передаются со скоростью, не большей скорости света, то причинно зависеть от некоего события в точке О могут события только в тех точках четырехмерного пространства-времени, в которые успевает дойти световой сигнал из точки О. Эти события образуют область абсолютно будущего для события в точке О. Аналогично определяется область абсолютно прошлого, — область, откуда световой сигнал успевает дойти до точки О. Эти области разделены областью событий, которые не могут быть причинно связаны с событием в точке О, поскольку световой сигнал ни туда, ни оттуда дойти не успевает. В разных системах отсчета эти события могут происходить то раньше, то позже события в точке О. Поэтому их нельзя отнести ни к прошлому, ни к будущему. . Сфера настоящего не ограничивается, следовательно, бесконечно малым моментом времени. Теория относительности исходит из предпосылки, что действия в принципе не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Эта особенность теории относительности, взятая в связи с соотношениями неопределенностей квантовой механики, приводит к затруднениям. Согласно теории относительности, действия могут распространяться только в строго ограниченной пространственно-временной области, в так называемом световом конусе, образованном теми пространственно-временными точками, которых достигает световая волна, исходящая из некоторого излучающего центра. Следует особо подчеркнуть, что эта пространственно-временная область имеет строго определенные границы. Квантовая механика выяснила, с другой стороны, что результатом строгого установления местоположения, а значит, и строгого пространственного ограничения является бесконечная неопределенность скорости, а стало быть, и импульса, и энергии. Практически это обстоятельство сказывается в том, что попытка математической формулировки взаимодействия элементарных частиц всегда приводит к бесконечным значениям энергии и импульса, а это препятствует удовлетворительному математическому описанию [47] 40 Бесконечности возникают так же, как и в классической электродинамике, из-за того, что используется представление о точечных частицах. Незадолго до этой речи Гейзенберга, в конце 40-х годов С. Томонага, Р. Фейнману, Ю. Швингеру, Ф. Дайсону удалось создать последовательные методы устранения бесконечностей в квантовой теории поля (так называемые «перенормировки»), при которых конечный результат получается после вычитания из одной бесконечности другой (см. сборник «Новейшее развитие квантовой электродинамики». М., 1954) но эти методы в течение ряда лет вызывали скептицизм у ряда физиков старшего поколения, в том числе, как видно, и у Гейзенберга. .

В последние годы в связи с этими трудностями была предпринято немало исследований, однако вполне удовлетворительного решения дать не удалось. Единственной опорой кажется пока следующее допущение: в предельно малых пространственно-временных областях, порядок величины которых тот же, что и у элементарных частиц, пространство и время странным образом исчезают, а именно: для столь малых времен уже нельзя правильно определить сами понятия «раньше» и «позже». Разумеется, пространственно-временная структура в целом нисколько не меняется, однако приходится считаться с возможностью, что в экспериментах с процессами, протекающими в крайне малых пространственно-временных областях, обнаружится, что некоторые из них протекают в направлении времени, как бы обратном тому, которое соответствует их каузальной последовательности.

Здесь, таким образом, новейшие результаты атомной физики вновь оказываются связанными с проблемой закона причинности. В настоящий момент, правда, нельзя решить, сталкиваемся ли мы тут опять с новыми парадоксами и отклонениями от закона причинности. Может случиться, что при попытках математической формулировки законов физики элементарных частиц откроются другие возможности избегнуть названных трудностей. Но уже сейчас вряд ли можно сомневаться в том, что развитие новейшей атомной физики в этом пункте еще раз вторгнется в сферу философии. Окончательный ответ на поставленные только что вопросы можно будет дать только в том случае, если удастся установить действующие в сфере элементарных частиц математические законы — если, к примеру, мы узнаем, почему протон именно в 1836 раз тяжелее электрона [48] 41 Хотя для ряда открытых в последние десятилетия частиц удавалось сравнительно точно предсказать значение их масс, общее объяснение спектра масс элементарных частиц остается и поныне одной из труднейших нерешенных проблем релятивистской квантовой физики. .