Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

В каждом случае взаимодействия между  излучением и электроном возможны такие  явления, как образование пар. Но тогда естественно было предположить, что подобные процессы могут происходить  в гораздо более обширных областях физики. С 1932 года мы знали, что в  ядре нет электронов, ядро состоит  из протонов и нейтронов. Но потом  Паули высказал предположение, что  бета-распад поддается описанию как  процесс возникновения одного электрона  и одного нейтрино. Эта возможность  была сформулирована Ферми в его  теории бета-распада. Вы видите, таким  образом, что уже тогда закон  сохранения числа элементарных частиц был полностью отброшен. Стало  ясно, что имеют место процессы образования частиц  {102}  из энергии. Возможность подобных процессов была, разумеется, предсказана уже в специальной теории относительности, согласно которой энергия превращается в материю. Но их реальность впервые обнаружилась благодаря открытию Дираком антиматерии и образования пар.

Ферми опубликовал свою теорию бета-распада, если не ошибаюсь, в 1934 году. Спустя несколько  лет в связи с космическим  излучением мы поставили вопрос: «Что произойдет, если столкнутся две элементарные частицы очень высоких энергий?»  Напрашивался ответ, что в таком  случае вовсе не исключено возникновение  большого-числа частиц. И в самом  деле, после открытия Дирака гипотеза множественного образования частиц при высокоэнергетических столкновениях  была уже вполне естественным допущением. Экспериментально она была подтверждена лишь 15 лет спустя, когда стали  исследовать явления очень высоких  энергий на больших ускорителях  и появилась возможность наблюдать  подобные процессы. Когда же стало  известно, что при высокоэнергетических столкновениях можно получить произвольное число частиц при том единственном условии, чтобы начальная симметрия  была идентична конечной симметрии, то пришлось допустить также, что  каждая частица есть, по существу, сложная  система, коль скоро можно, не отступая от истины, считать любую частицу  виртуально состоящей из произвольного  числа других частиц. При всем том  мы, разумеется, согласимся, что будет  разумным приближением к истине считать  π-мезон состоящим лишь из одного нуклона и одного антинуклона и что нет необходимости принимать во внимание составы высшего порядка. Опять же это лишь приближение, и если быть точным, то надо сказать, что в π-мезоне мы имеем дело с определенным множеством конфигураций нескольких частиц вплоть до сколь угодно большого числа частиц, лишь бы совокупная симметрия совпадала с симметрией π-мезона. Одним из сенсационнейших последствий открытия Дирака явилось, таким образом, полное крушение старого понятия элементарной частицы. Элементарная частица оказалась уже не элементарной. Это фактически сложная система, точнее, сложная система многих тел, и она обнаруживает в себе все те структурные взаимосвязи, какие характерны для молекулы или любого другого объекта подобного рода.

Теория Дирака имела еще одно важное следствие. В старой теории, скажем в нерелятивистской квантовой  {103}  теории, основное состояние было крайне простым состоянием. Оно было не чем иным, как вакуумом, пустым миром, и потому обладало максимальной симметрией. В теории Дирака основное состояние было иного рода. Это был объект, заполненный недоступными наблюдению частицами отрицательной энергии. Вдобавок при допущении процесса образования пар приходилось считаться с тем, что основное состояние должно заключать в себе, по всей видимости, бесконечное число виртуальных пар позитронов и электронов, то есть частиц и античастиц; сразу видно, что основное состояние есть сложная динамическая система. Она представляет собой одно из собственных решений, определяемых основополагающим законом природы. Далее, если так понимать основное состояние, то становится очевидным, что оно не обязательно должно быть симметричным относительно группы основополагающего закона. По сути дела, наиболее естественным объяснением электродинамики представляется то, что основополагающий закон природы полностью инвариантен относительно группы изоспина, а основное состояние — нет. В соответствии с этим из допущения, что основное состояние при вращениях в изопространстве²⁰ является вырожденным, вытекает, по теореме Голдстоуна, существование сил дальнодействия или частиц с нулевой массой покоя. Вероятно, кулоновское взаимодействие и фотоны следует интерпретировать в этом смысле.

Наконец, в своей бакеровской  лекции 1941 года Дирак высказал —  как следствие из своей теории «дырок» — ту мысль, что в релятивистской теории поля с взаимодействием следует  использовать пространство Гильберта  с индефинитной метрикой. До сих  пор идет спор о том, действительно  ли необходимо такое расширение общепринятой квантовой теории. Но после многих дискуссий на протяжении последних  десятилетий не приходится сомневаться, что непротиворечивое построение теорий с индефинитной метрикой возможно и  что их разумная интерпретация в  рамках физической науки вполне мыслима.

Итак, конечным результатом на сегодня  представляется вывод, что предложенная Дираком теория электрона изменила весь облик атомной физики. После  отказа от старого понятия элементарной частицы объекты, раньше называвшиеся элементарными частицами, должны сегодня  рассматриваться как сложные  многоэлементные системы, и рано или поздно мы будем рассчитывать их с помощью  {104}  основополагающего закона природы, так же как мы рассчитываем стационарные состояния сложных молекул по законам квантовой или волновой механики. Мы узнали, что энергия становится материей, принимая форму элементарных частиц. Состояния, носившие название элементарных частиц, так же сложны, как состояния атомов и молекул. Или — в парадоксальной формулировке — каждая частица состоит из всех остальных частиц. Поэтому мы не можем надеяться, что физика элементарных частиц когда-либо сможет стать проще, чем квантовая химия. Это важная деталь, потому что еще и поныне многие физики надеются, что нам удастся в один прекрасный день отыскать какой-то очень простой путь к физике элементарных частиц — как в старые времена водородного спектра. На мой взгляд, это невозможно.

В заключение я хотел бы еще раз  сказать несколько слов о том, что у нас было названо «предрассудками». Вы можете сказать, что наша вера в  элементарные частицы была предрассудком. Но я все же считал бы, что это  чересчур негативное суждение, поскольку  весь язык, применяемый нами в атомной  физике двух последних столетий, прямо  или косвенно опирается на понятие  элементарной частицы. Мы всегда спрашивали: «Из чего состоит такой-то объект и какова геометрическая или динамическая конфигурация меньших частиц в этом более крупном объекте?» По существу, мы каждый раз возвращались к этой демокритовской философии; думаю, однако, что Дирак уже доказал нам  ложность такой постановки вопроса. При всем том крайне трудно удержаться от вопросов, заложенных в самом  нашем языке. Понятно поэтому, что  еще и сегодня многие физики-экспериментаторы — а то и некоторые теоретики  — все еще заняты поисками «настоящих»  элементарных частиц. Они надеются, например, что кварки, если таковые  существуют, возьмут на себя роль искомых  частиц.

Думаю, что это заблуждение. Заблуждение  потому, что, даже если кварки окажутся реальностью, мы не сможем сказать, что  протон состоит из трех кварков. Нам  придется говорить, что иногда он, пожалуй, и состоит из трех кварков, но в  другие моменты он может состоять из четырех кварков и одного антикварка или из пяти кварков и двух антикварков  и т. д. Все эти конфигурации будут  содержаться в протоне, и каждый кварк опять же будет состоять из кварка и антикварка и т. д. Нет  никакого способа уйти от этой характерной  ситуации; но  {105}  поскольку направленность наших вопросов определяется старыми понятиями, крайне трудно удержаться от их постановки. Очень многие физики до сих пор ищут кварки и будут, наверное, искать их и впредь. В последнее десятилетие существует очень сильная предрасположенность в пользу кварков, так что, мне думается, если бы они были, то их бы уже открыли. Но тут решать физикам-экспериментаторам.

Спрашивается, чем же тогда заменить понятие фундаментальной частицы. Полагаю, что нам следовало бы заменить его понятием фундаментальной  симметрии. Фундаментальными симметриями  определяется основополагающий закон, обусловливающий спектр элементарных частиц. Не буду здесь входить в  подробное обсуждение этих симметрии. Тщательный анализ наблюдений дает мне  основание заключить, что, помимо Лоренцовой группы, подлинными симметриями являются также SU₂, принцип масштабной инвариантности и дискретные преобразования Р.С.Т.; но я не стал бы причислять к фундаментальным симметриям SU₃ или более высокие симметрии этого рода, поскольку они могут возникать благодаря динамике системы в качестве приближенных симметрии²¹.

Но это опять же вопрос, который  должны решать экспериментаторы. Я  хотел единственно сказать, что  нам следовало бы отыскивать не фундаментальные  частицы, а фундаментальные симметрии. И если мы действительно совершим этот переворот в понятиях, подготовленный Дираком и его открытием антиматерии, то, думаю, нам уже не понадобится  еще одной научной революции, чтобы понять элементарные — или, вернее, «неэлементарные» — частицы. Мы должны сначала научиться обращению  с этим новым и, к сожалению, очень  абстрактным понятием — «фундаментальные симметрии»; но это дело наживное.

Естественнонаучная и религиозная  истина¹¹⁹

Премия, которую вы мне  любезно предназначили и за которую  я вас благодарю, связана с  именем Романо Гвардини¹²⁰. Это делает ее для меня особенно ценной, потому что духовный мир Гвардини очень рано оставил во мне глубокий отпечаток. Молодым человеком я читал его книги, в его свете видел образы из произведений Достоевского, а в зрелом возрасте получил радостную возможность узнать Гвардини лично. Мир Гвардини — целиком и полностью религиозный, христианский мир, и на первый взгляд кажется трудным установить его связь с миром естественных наук, в котором я работал со студенческих лет. Как вы знаете, в ходе развития естествознания, начиная со знаменитого процесса против Галилея, снова и снова высказывалось мнение, что естественнонаучная истина не может быть приведена в согласие с религиозным истолкованием мира. Но должен сказать, что, хотя я убежден в неоспоримости естественнонаучной истины в своей сфере, мне все же никогда не представлялось возможным отбросить содержание религиозной мысли просто как часть преодоленной ступени сознания человечества — часть, от которой в будущем все равно придется отказаться. Так что на протяжении моей жизни мне постоянно приходилось задумываться о соотношении этих двух духовных миров, ибо у меня никогда не возникало сомнения в реальности того, на что они указывают. Речь поэтому пойдет сначала о неоспоримости и ценности естественнонаучной истины, затем — о гораздо более обширной области религии, о которой (в том, что касается христианской религии) с такой убедительной силой писал Гвардини, и наконец — об отношении этих двух истин друг к другу, что всего труднее поддается формулировке.

Вспоминая о началах  новоевропейского естествознания, об открытиях Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона, обычно говорят, что тогда  рядом с истиной религиозного откровения, запечатленной в Библии и в писаниях  {328}  отцов Церкви и определявшей средневековую мысль, выступила реальность чувственного опыта, которую мог перепроверить каждый человек со здоровыми органами восприятия и в которой поэтому невозможно было сомневаться, при условии достаточной тщательности наблюдения. Но уже это приближенное описание нового научного мышления лишь наполовину верно, в нем упущены принципиальные, решающие черты, без которых нечего надеяться на правильное понимание этого нового мышления. Явно не случайность то, что первые шаги новоевропейского естествознания были отмечены отходом от Аристотеля и поворотом к Платону. Уже в античности Аристотель как эмпирик предъявил пифагорейцам — а к ним нужно причислять и Платона — упрек в том, что они (я цитирую более или менее дословно), вместо того чтобы в свете фактов отыскивать объяснения и строить теории, насиловали факты в свете известных теорий и пристрастных мнений, разыгрывая из себя, так сказать, устроителей мира. И действительно, новое естествознание уводило, в критикуемом Аристотелем смысле, прочь от непосредственного опыта. Взять хотя бы понимание движения планет. Непосредственный опыт учит, что Земля стоит на месте, а Солнце движется вокруг нее. Заостряя формулировки на современный лад, мы могли бы даже сказать: слово «покоиться» получает свое определение через высказывание, что Земля покоится и что мы называем покоящимся всякое тело, неподвижное относительно Земли. Если так понимать слово «покоиться» — а оно обычно так и понимается, — то Птолемей был прав, а Коперник не прав. Лишь когда мы начинаем размышлять о понятии «движение», лишь когда мы понимаем, что движение есть высказывание об отношении между как минимум двумя телами, только тогда можно взглянуть на вещи иначе, сделать Солнце покоящимся центром планетной системы и таким путем получить гораздо более простой, более цельный образ планетной системы, объяснительная сила которого была позднее полностью использована Ньютоном. Итак, Коперник дополнил непосредственный опыт совершенно новым элементом, который я назвал бы тут «простотой законов природы» и который, во всяком случае, не имеет с непосредственным опытом ничего общего. О том же свидетельствует галилеевский закон падения тел. Непосредственный опыт учит, что легкие тела падают медленнее, чем тяжелые. Вместо этого Галилей утверждал, что в безвоздушном пространстве все тела падают с одинаковой  {329}  быстротой и что их движение падения поддается верному описанию с помощью математически формулируемых законов, каковыми и были галилеевские законы падения. А ведь движение в безвоздушном пространстве тогда вообще невозможно было пронаблюдать. Выходит, место непосредственного опыта заняла некая идеализация опыта, которую можно было считать верной потому, что она позволяла разглядеть стоящие за явлениями математические структуры. Не приходится сомневаться в том, что на этой ранней стадии новоевропейского естествознания новооткрываемая математическая закономерность была подлинной основой его убедительной силы. Эти математические законы выступали зримым выражением божественной воли, как мы читаем у Кеплера, и Кеплер загорался воодушевлением по поводу того, что он первый увидел через них красоту божественного творения. С отходом от религии новое мышление явно не имело поэтому ничего общего. Даже если новое знание и противоречило в некоторых аспектах церковной доктрине, это мало что значило перед лицом столь непосредственного переживания божественного действия в природе.

Правда, речь тут идет пока еще только о Боге-распорядителе, о котором еще неизвестно, вполне ли он идентичен тому, к которому мы обращаемся в нашей беде, которому мы могли бы вручить нашу жизнь. Вы поэтому вправе сказать, пожалуй, что  наука обратила свой взор исключительно  на одну часть божественного действия и тем самым возникла опасность  утери из виду великого целого, всеобщей связи вещей. Но опять же здесь-то и лежала причина громадной плодотворности нового естествознания. О великой  взаимосвязи философами и богословами  было так много сказано, что оригинально  новых формулировок здесь уже  ожидать не приходилось; мысль устала от схоластических рассуждений. Но частности  природных процессов были еще  почти не исследованы. В этой работе могли, между прочим, принять участие  множество людей средних дарований, да к тому же познание частностей сулило прямую практическую выгоду. В некоторых  возникавших тогда научных обществах  прямо-таки в принцип возводилось  правило говорить лишь о поддающихся  наблюдению частностях, но не о всеобъемлющей  взаимосвязи. Переход от непосредственного  к идеализированному опыту вызвал к жизни новое искусство экспериментирования  и измерения, призванное приближать наблюдение к идеальным условиям, причем оказалось, что всегда  {330}  возможно прийти к согласию относительно результатов эксперимента. Это не так уж само собой разумеется, как стало казаться последующим векам; ведь для этого нужно, чтобы при равных условиях происходило всегда одно и то же. Итак, было на опыте установлено, что если тщательным подбором условий эксперимента добиться чистоты наблюдаемых феноменов и изолировать их от окружающей среды, то закономерности этих феноменов обнаружатся со всей ясностью, то есть что феномены связаны между собою цепью однозначной причинной зависимости. Вера в причинную обусловленность всех событий, мыслившихся объективными и не зависящими от наблюдателя, была возведена тем самым в основополагающий постулат новоевропейского естествознания. Этот постулат, как вы знаете, отлично работал в течение нескольких веков, и лишь в наше время опыт исследования атомов показал ограниченность всего этого подхода. Но даже и с учетом этого новейшего опыта можно говорить об обретении явно неоспоримого критерия истины. Воспроизводимость экспериментов делает в конечном счете всегда возможным соглашение относительно истинного поведения природы.

Этой общей направленностью  новоевропейского естествознания была заранее предопределена одна его  характерная черта, позднее нередко  подвергавшаяся обсуждению, а именно упор на количественные показатели. Требование строгого определения экспериментальных  условий, точности измерений, чистоты, однозначности языка и математического  представления идеализированных феноменов  формирует лицо нашей науки и  дает ей имя: точное естествознание. Это  название нередко воспринимается в  похвальном, нередко и в уничижительном смысле. В похвальном — когда  подчеркивают надежность, строгость, неоспоримость  научных высказываний; в уничижительном — когда дают понять, что наука  бессильна охватить бесконечную  пестроту качественного разнообразия в природе, что она чересчур узка. В наше время этот аспект естественных наук и вырастающей из них техники  вырисовывается еще резче, чем раньше. Достаточно представить себе ту предельную степень точности, какой требует  высадка на Луну, ту невообразимую  меру надежности и отточенности, какая  здесь продемонстрирована, чтобы  понять, сколь прочная база достоверной  истинности лежит в основании  новоевропейского естествознания.