Вернер Гейзенбер - Шаги за горизонт

Многие тут возразят: но ведь гипотеза о кварках возникла все-таки из экспериментальных данных, а именно из констатации эмпирической релевантности группы SU 3, и, кроме того, она хорошо зарекомендовала себя при истолковании многих экспериментов также и за пределами применения группы SU 3. Не стану спорить. Но мне хотелось бы привести в свою пользу пример из хорошо мне известной истории квантовой механики — пример, ясно показывающий слабость аргументации подобного рода. До теории Бора многие физики утверждали, что атом непременно должен состоять из гармонических осцилляторов; ведь оптический спектр содержит четкие линии, а они могут излучаться только гармоническими осцилляторами. Заряды в этих осцилляторах должны соответствовать иным значениям e/m, чем в случае электрона, а, кроме того, осцилляторов должно быть очень много, потому что в спектре имеется очень много линий.

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 SU 3имеет 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, SU 4, SU 6, SU 12, SU 2X SU 2и 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] 60 SU(3) — симметрия, или унитарная симметрия, основана на независимости сильного взаимодействия частиц от вида кварков (u-, d- и s-кварков). Она позволила предсказать существование ряда новых частиц и их свойств. Эта симметрия является только приближенной. SU(4) — аналогичная симметрия для четырех кварков (u, d, s, с). Остальные упомянутые Гейзенбергом симметрии в настоящее время неактуальны. .

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.