Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Да, я не согласен. Я не считаю, что в XX в. поэты и художники знали о своем ремесле больше, чем в XIX в. Какими бы прекрасными ни были некоторые поэмы и картины, созданные в XX в., я не знаю ни одного произведения, которое бы превзошло работы Китса или Моне, например. Конечно, это дело вкуса, вопрос, который нельзя решить каким-то исследованием, в отличие от вопроса о возрасте Земли. Но именно поэтому виг-интерпретация имеет смысл в истории науки и не имеет смысла в истории искусства.

Текст этой главы был опубликован в 1997 г. в весеннем выпуске научно-популярного журнала Beam Line , который издается Национальной ускорительной лабораторией SLAC. Это был специальный выпуск, посвященный столетию открытия Томсоном электрона, первой частицы из тех, что мы теперь называем элементарными.

Текст статьи был написан раньше всех остальных в этом сборнике, тем не менее он все еще актуален и имеет непосредственное отношение к проблемам современной физики. И действительно, перечитав его спустя 20 лет после написания и спустя 120 лет после открытия электрона, я испытал некоторое сожаление из-за того, что вопрос, вынесенный в заголовок, все еще остается без ответа.

Если незнакомец, услышав, что я физик, спрашивает меня, в какой области физики я работаю, обычно я отвечаю, что занимаюсь теорией элементарных частиц, после чего всегда начинаю нервничать. Я жду следующего вопроса: «А что такое элементарная частица?», отвечая на который я должен буду признать, что на самом деле этого никто не знает.

Для начала хочу заявить, что объяснить значение термина «частица» совсем не сложно. Частица — это просто физическая система, у которой нет непрерывных степеней свободы, за исключением ее полного импульса. Например, мы можем полностью описать состояние любого электрона, указав его импульс и спин относительно любой заданной оси. (Спин — это величина, которая в квантовой механике может принимать только дискретное, а не непрерывное множество значений.)

С другой стороны, система, состоящая из свободного электрона и свободного протона — это уже не частица, поскольку, чтобы описать такую систему, нужно указать две непрерывные величины, то есть моменты и электрона, и протона, а не просто их сумму. Однако если электрон и протон связаны, как, например, в атоме водорода, находящемся на низшем энергетическом уровне, то вместе они образуют частицу. Любой согласится, что атом водорода — это не элементарная частица, но далеко не всегда так уж просто провести подобное разграничение или хотя бы даже сказать, что оно значит.

Несколько десятилетий, в начале XX в., казалось, что нет никаких проблем в том, чтобы объяснить, что такое элементарная частица. Томсон с помощью электрического поля в электронно-лучевой трубке смог оторвать электроны от атомов, так что атомы оказались не элементарными. От самих электронов невозможно ничего отделить, поэтому электроны считались элементарными. Когда в 1911 г. в лаборатории Эрнеста Резерфорда было доказано существование атомных ядер, предполагалось, что они не являются элементарными, поскольку было известно, что некоторые радиоактивные ядра испускают электроны и другие частицы, а кроме того, заряд и массу ядер можно было объяснить, допустив, что ядра состоят из двух типов элементарных частиц — легких, отрицательно заряженных электронов и тяжелых, положительно заряженных протонов.

Несмотря на отсутствие четкого определения термина «элементарная частица», мысль о том, что вся материя состоит всего из двух типов элементарных частиц, оказалась очень живучей и всепроникающей, как это ни странно с современной точки зрения. Например, когда в 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, общепринятым было предположение, что нейтроны — это некое сильно связанное состояние протонов и электронов. В своей статье, рассказывающей об открытии, Чедвик высказал мнение: «Конечно, можно предположить, что нейтрон — это элементарная частица. На текущий момент в пользу этой точки зрения очень мало аргументов, но одним из них является возможность объяснить статистические данные по ядру азота-14» [63] Говоря о «статистике», Чедвик имел в виду различия, которые разделяют все частицы (элементарные или нет) на два класса, названные бозонами и фермионами. Состояние любой системы полностью симметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных бозонов: оно не изменяется, если два тождественных бозона поменять местами. Наоборот, состояние системы антисимметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных фермионов; то есть волновая функция, которая описывает состояние в квантовой механике, меняет свой знак на противоположный при перестановке двух тождественных фермиона. Например, электроны и протоны — фермионы; фотоны (частицы света) и атомы водорода — бозоны. . (Некоторые могут подумать, что это очень весомый аргумент: исследование молекулярного спектра показало, что ядро азота-14 является бозоном, а это невозможно, если оно представляет собой связанное состояние протонов и электронов [64] Чтобы наблюдались правильные значения полных массы и заряда атома азота-14 из протонов и электронов, атом должен состоять из 14 протонов и семи электронов, что в сумме составит 21 фермион, однако любая частица, составленная из нечетного числа фермионов, будет фермионом, а не бозоном. .) И только открытие независимости сил ядерного взаимодействия от электрического заряда, сделанное в 1936 г. Мерлом Тьювом и его коллегами, ясно показало, что нейтроны и протоны должны рассматриваться с одинаковых позиций: если протоны — это элементарные частицы, тогда и нейтроны должны быть элементарными тоже [65] Зарядовая инвариантность — это принцип, согласно которому ядерные силы не изменятся, если в уравнениях, описывающих эти силы, мы заменим протоны на нейтроны, а нейтроны — на протоны или даже если мы заменим и протоны, и нейтроны на различные комбинации протонов и нейтронов. . Сегодня зачастую используют общий термин «нуклон», когда говорят о протонах и нейтронах.

С этого начался существенный рост списка так называемых элементарных частиц. В 1937 г. он пополнился мюонами (хотя вплоть до недавнего времени их природа была неясна) [66] Мюоны — это частицы, которые, как теперь известно, ведут себя как электроны, только имеют массу примерно в 210 раз больше. , а пионы и странные частицы были открыты в 1940-х гг. [67] Пионы и странные частицы — это сильно взаимодействующие частицы, которые возникают при столкновении протонов и нейтронов высоких энергий. Некоторые из этих частиц были названы «странными», поскольку, в отличие от пионов, они не могут возникать поодиночке, но только совместно с другими странными частицами. В 1930 г. Вольфганг Паули высказал предположение о существовании новых частиц — нейтрино, которые затем в 1933 г. вошли в теорию бета-распада Энрико Ферми, однако обнаружить эти частицы удалось только в 1955 г. в эксперименте Райнеса-Коуэна [68] Бета-распад — это процесс радиоактивного распада, когда в атомном ядре нейтрон превращается в протон; или, наоборот, испуская при этом быстрый электрон или антиэлектрон и антинейтрино или нейтрино. Нейтрино и антинейтрино — это практически безмассовые частицы, не имеющие электрического заряда. . Позже, в конце 1950-х гг., благодаря ускорителям и пузырьковым камерам удалось открыть огромное множество новых сильно взаимодействующих частиц, более тяжелых родственников нуклонов и пионов.