Вернер Гейзенбер - Шаги за горизонт

В астрофизике космическое излучение стало новым ценным инструментом, обещавшим расширение познаний за пределы той информации, которую давало наблюдение видимого или инфракрасного свечения звезд. Ближайшей проблемой являлось, естественно, происхождение космических лучей. Уже Форбуш установил, что низкоэнергетическая часть космического излучения иногда посылается Солнцем, имея источником известные турбулентные явления на его поверхности. Но очень скоро стало ясно, что окончательный ответ на вопрос о возникновении космического излучения предполагает основательное знание природы электромагнитных полей в звездной плазме, внутри нашей планетной системы — здесь я могу напомнить о солнечном ветре, впервые изученном Бирманом, — внутри нашей Галактики и, наконец, во внегалактическом пространстве. Исследования в этой области стали за последние годы главной составной частью астрофизики, и с помощью космических лучей было получено очень много информации. Что касается их происхождения, то сейчас, похоже, все считают главным источником высокоэнергетического космического излучения сверхновые звезды и их реликты, пульсары. Но не буду входить в детали астрофизики, а вернусь к своему первоначальному вопросу: в каком плане космическое излучение касается фундаментальных проблем физики?

Я только что упомянул о пульсарах, которые принадлежат к числу звезд с наибольшей наблюдавшейся до сих пор плотностью. Плотность их материи сравнима с плотностью атомного ядра. Их сплачивают силы тяготения. Существование подобных звезд выдвигает две фундаментальные проблемы; одна касается отношения гравитации к прочим силам взаимодействия внутри материи, другая — того, каким должно быть уравнение состояния для материи с такой или с еще большей плотностью. Однако прежде чем перейти к названным проблемам, я хотел бы перечислить несколько примеров высокой ценности исследования космических лучей для физики элементарных частиц даже после появления больших ускорителей.

Частицы космического излучения имеют энергии вплоть до 10 19электронвольт, и само собой ясно, что столь высокие энергии не могут быть достигнуты на ускорителях, по крайней мере в ближайшем будущем. Поэтому столкновения частиц с такими огромными энергиями могут исследоваться лишь в космическом излучении. И вот, хотя малая интенсивность и малая статистическая частота ограничивают здесь точность получаемых данных, все же был поднят вопрос о том, как в области крайне высоких энергий изменяются в зависимости от энергии поперечное сечение или другие характеристики каскадов. Существует ли за пределами энергий обычных частиц или резонансных состояний такая область асимптотического приближения, где уже невозможно обнаружить и нельзя ожидать никаких новых процессов или драстических изменений? Полученная на материале космического излучения информация по этому вопросу едва выходила за пределы туманного намека; тем не менее она стимулировала теоретические исследования, более 20 лет назад приведшие к предположению, что в диапазоне высоких энергий величина полного сечения для столкновений между адронами должна возрастать пропорционально квадрату логарифма энергии. Соответственно следовало ожидать, что область асимптотического приближения существует; хотя общие сечения в этой области не могли быть константными, они должны были возрастать логарифмически. Эта догадка подтвердилась в новейших экспериментах с накопительными кольцами протонного синхротрона в Женеве и с ускорителем «Батавия» [63] 55 См. прим. 49 и 52. .

Асимптотическая область начинается, по-видимому, при энергии около 10 ГэВ в системе центра масс и в случае столкновений между протонами; она исследовалась на аккумулирующих кольцах женевского циклотрона вплоть до энергии 50 ГэВ. Существенным вкладом исследований на установке «Батавия» явился тот результат, что логарифмическое приращение может наблюдаться и при столкновении пи-мезонов или К-мезонов с протонами. Это стала сильным аргументом в пользу предположения, что общая асимптотическая область существует и что она достигнута в названных экспериментах. Для интерпретации этой асимптотической области вполне достаточно понимать частицы просто как почти сферические облака непрерывной материи, не касаясь того, из каких именно частиц могли бы состоять эти облака. Такая картина вполне приемлема, поскольку выражение «состоит из», собственно говоря, утратило свой смысл в физике элементарных частиц.

Существует еще одна проблема, занимающая в течение последних десяти лет умы ядерных физиков. Мы знаем, что группа SU 3в спектре частиц играет определенную роль в качестве приближенной симметрии. Простейшее представление группы SU 3 — трехмерное, и соответственно такому представлению можно было бы ожидать триплета частиц; электрический заряд этих частиц должен бы был составлять 1/ 3или 2/ 3элементарного заряда, и им дали название «кварки». Однако в экспериментах с большими установками эти частицы до сих пор не удавалось наблюдать. Поэтому сложилось мнение, что кварки обладают большой массой и сцепляются между собою очень большими энергиями связи, так что даже большие ускорители недостаточны для их разделения. Космическое излучение и тут сослужило хорошую службу, поскольку энергия первичных космических лучей может в тысячу и более раз превышать максимальную энергию частиц на большой ускорительной установке. Тот факт, что даже в космическом излучении кварки не были обнаружены, является очень сильным доводом в пользу их несуществования. Это можно было бы считать теперь уже окончательно установленным, и мне представляется поэтому крайне трудном придать сколько-нибудь определенный смысл высказыванию «протон состоит из трех кварков», коль скоро ни выражение «состоит из», ни слово «кварки» не обладают сами достаточно определенным смыслом. Как же тогда следует толковать подобное высказывание? Аналогичный скепсис оправдан и в отношении других частиц, которые были предсказаны, но не были обнаружены; W-мезоны, партоны, глюоны, магнитные полюса, «очарованные» частицы. Поскольку их нельзя наблюдать ни на больших ускорительных установках, ни в космическом излучении, то эти понятия едва ли могут считаться полноценными инструментами феноменологического описания. Мы сталкиваемся здесь с ситуацией, уже хорошо известной нам из квантовой механики. Наш повседневный язык провоцирует нас на постановку вопросов, не имеющих никакого смысла, например: «Какова орбита электрона, движущегося вокруг атомного ядра?» Из-за соотношений неточности ни слово «орбита», ни слово «движется» не имеют тут строгого определения; следовательно, вопрос не имеет смысла.