Характер физических законов - Ричард Фейнман

Сегодня, когда наша теория всего, что происходит вне ядра атома, выглядит довольно точной и полной и позволяет нам, хотя, может быть, и не сразу, рассчитывать все с той же точностью, с какой мы можем проводить измерения, мы намного меньше знаем о силах взаимодействия между нейтронами и протонами, образующими ядро, и недостаточно хорошо понимаем их характер. Я хочу сказать, что на сегодня мы не понимаем характера взаимодействий между нейтронами и протонами достаточно хорошо для того, чтобы я смог, если вы меня об этом попросите, предоставив достаточно времени и достаточно вычислительных машин, точно определить все энергетические уровни углерода или решить другую задачу того же типа. Наших знаний для этого недостаточно. Мы умеем решать аналогичную задачу для энергетических уровней внешних электронов атома, а для ядра – нет, так как мы еще недостаточно понимаем природу внутриядерных сил.

Для того чтобы лучше разобраться в этих силах, были поставлены специальные опыты по изучению явлений при очень высоких энергиях. Суть этих опытов заключается в том, чтобы сталкивать между собой нейтроны и протоны с очень большой энергией и наблюдать возникающие при этом необычные явления, причем мы надеемся, что изучение этих необычных явлений даст нам лучшее понимание взаимодействия между нейтронами и протонами. Но эти эксперименты лишь открыли ящик Пандоры. Хотя мы только хотели получше разобраться в характере сил, действующих между нейтронами и протонами, мы, с силой сталкивая эти частицы, обнаружили много новых частиц. Пытаясь лучше разобраться во внутриядерных силах, мы выловили более полусотни новых частиц, которые можно отнести в тот же столбец (см. табл. 4), что и нейтрон и протон, так как они взаимодействуют с этими частицами и имеют отношение к взаимодействию между ними. Кроме того, пока наши сети вылавливали всю эту мелочь, в них попалась пара частиц, не имеющих отношения к проблеме внутриядерных сил.

Таблица 4

Одну назвали m-мезоном, или мюоном, а другую – нейтрино, причем вторая всегда сопровождает первую. Имеется два типа нейтрино: нейтрино одного типа всегда сопутствует электрону, а нейтрино другого типа – m-мезону. Между прочим, к нашему крайнему удивлению, все законы поведения пары m-мезон и нейтрино сейчас уже изучены настолько полно, насколько об этом можно судить на современном уровне экспериментальной техники, и оказались в точности такими же, как и для пары электрон и нейтрино, за единственным исключением: масса m-мезона оказалась в 207 раз больше массы электрона. Но это единственная разница между ними, и это довольно странно. Четыре дюжины новых частиц образуют пугающий список, а ведь нужно еще помнить и об античастицах. У новых частиц разные названия: мезоны, пионы, каоны, лямбды, сигмы… все это ничего вам не скажет, для четырех дюжин новых частиц пришлось придумать немало новых названий! Но оказалось, что частицы образуют семейства, и это несколько облегчает наше положение. На самом деле срок жизни некоторых из этих так называемых частиц настолько мал, что до сих пор идут споры, возможно ли в действительности хотя бы установить их существование. Но в эти споры я не хочу здесь вдаваться.

Для того чтобы вы получили представление о том, что такое семейство элементарных частиц, рассмотрим случай нейтрона и протона. Нейтрон и протон имеют одинаковую массу с точностью до десятой процента или около того. Первая из них в 1836 раз, а вторая в 1839 раз тяжелее электрона. Еще замечательнее, что внутриядерные силы, большие силы взаимодействия внутри ядра между двумя протонами, оказались такими же, как и силы взаимодействия между протоном и нейтроном или нейтроном и нейтроном. Другими словами, изучая лишь сильные внутриядерные взаимодействия, нельзя отличить протон от нейтрона. Получается еще один закон симметрии: нейтрон можно заменить на протон – и ничего не изменится – при условии, что мы говорим только о сильных взаимодействиях. Но если нейтрон действительно заменить на протон, то разница будет огромная, так как протон несет электрический заряд, а нейтрон – нет. Посредством электрических измерений вы сразу обнаружите разницу между протоном и нейтроном, так что наша симметрия, позволяющая заменить протон на нейтрон, на самом деле лишь приближенная симметрия. Она действительно существует для сильных ядерных взаимодействий, но в глубоком физическом смысле ее нет, поскольку она не охватывает электрических явлений. Такую закономерность мы называем слабой симметрией, и нам приходится разбираться со слабыми симметриями.

Теперь, когда семейства элементарных частиц уже построены, известно, что подстановки типа замены нейтрона протоном возможны и для более широкого круга частиц. Но разница при такой замене оказывается еще большей. Утверждение, что нейтрон всегда можно заменить протоном, верно лишь приближенно, оно неверно с точки зрения теории электричества, но более широкий круг подстановок, которые оказались возможными, обеспечивает еще худшую симметрию. Тем не менее все эти слабые симметрии позволили организовать элементарные частицы в отдельные семейства и благодаря этому найти место для недостающих частиц и открыть некоторые новые частицы.

Игра такого рода – грубое угадывание отношений, определяющих некоторое семейство, – характерна для первых схваток с природой, предваряющих открытие какого-то действительно глубокого и очень важного закона. Прошлое науки дает много примеров тому. Игрой именно такого рода было открытие Менделеевым[26] периодической таблицы элементов. Это было лишь первым шагом. Полное понимание причин такого строения таблицы Менделеева пришло много позднее, с теорией атома. Точно так же наши знания о ядерных энергетических уровнях были организованы Марией Майер и Йенсеном[27] в их так называемой оболочечной модели ядра. Точно такую же игру представляет собой и вся физика в целом, где для упрощения мы прибегаем к приближениям и гипотезам.

Кроме всех этих частиц, у нас имеются все те принципы, о которых мы говорили раньше: принципы симметрии и относительности, принцип, согласно которому все это должно подчиняться законам квантовой механики, да еще вытекающие из теории относительности соображения о локальном характере законов сохранения.

Но если собрать все эти принципы вместе, мы обнаружим, что их слишком много. Они несовместимы друг с другом. Если взять квантовую механику, теорию относительности, утверждение, что все должно быть локальным, и еще несколько молчаливых предположений, то мы придем к противоречию, потому что, вычисляя некоторые величины, получим для них бесконечно большие значения. А кто может утверждать, что бесконечность согласуется с реальностью природы? Что же касается молчаливых предположений, о которых я упомянул, то к ним мы настолько привыкли, что не хотим или не можем понять их истинное значение. Вот вам пример. Если вы подсчитаете вероятность ряда взаимно исключающих событий, скажем, 50 % за то, что случится это, 25 % за то, что случится то, и т. д., то в сумме они должны составлять единицу. Мы считаем, что если сложить все вероятности, то должна получиться 100 %-ная вероятность. Это кажется разумным, но именно с разумного и начинаются все наши беды. Другой пример: предположение о том, что энергия всегда должна быть положительной и не может стать отрицательной. И еще одно предположение, которое, по-видимому, принимается еще до того, как мы приходим к противоречиям, – это так называемый принцип причинности, согласно которому, грубо говоря, следствие никогда не может предшествовать причине. Пока еще никто не пытался построить теорию, в которой не было бы предположения о полной вероятности или не учитывался бы принцип причинности и которая согласовалась бы с квантовой механикой, теорией относительности, принципом локальности и т. п. Поэтому мы просто не можем знать, какое же именно из наших допущений вызывает наши трудности и заставляет получать бесконечно большие значения. Вот это была бы настоящая задача! Правда, как оказалось, с помощью довольно грубых приемов все эти бесконечности удается замести под ковер, так что мы все еще в состоянии делать необходимые нам расчеты.

Вот так обстоит дело сейчас. А теперь я собираюсь поговорить о том, как открывают новые законы.

Вообще говоря, поиск нового закона ведется следующим образом. Прежде всего о нем догадываются. Затем вычисляют следствия этой догадки и выясняют, что повлечет за собой этот закон, если окажется, что он справедлив. Затем результаты расчетов сравнивают с тем, что наблюдается в природе, с результатами специальных экспериментов или с нашим опытом и по результатам таких наблюдений выясняют, так это или не так. Если расчеты расходятся с экспериментальными данными, то закон неправилен. В этом простом утверждении самое зерно науки. Не важно, насколько ты умен, кто автор догадки, известен он или нет – если теория расходится с экспериментом, значит, теория неверна. Вот и все. Верно, конечно, что для того, чтобы окончательно убедиться в неверности теории, нужна небольшая дополнительная проверка. Ведь кто бы ни был экспериментатор, всегда есть возможность, что о результатах опытов было неправильно сообщено, что в эксперименте что-то было упущено, что здесь есть какая-то грязь или еще что-то, или что тот, кто проводил расчеты эффектов, ошибся в ходе анализа, хотя бы это и был сам автор гипотезы. Все эти замечания совершенно естественны, и поэтому, когда я говорю: «Поскольку расчеты не согласуются с опытом, предложенный закон неверен», я считаю, что правильность эксперимента и расчета была установлена и после всестороннего анализа мы убедились в том, что наблюдаемые явления действительно логически следуют из принятой нами гипотезы и что она действительно расходится с предельно тщательно выверенным экспериментом.