Áèáëèîòåêà

Òåîëîãèÿ

Êîíôåññèè

Èíîñòðàííûå ÿçûêè

Äðóãèå ïðîåêòû







Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå

Âàéñêîïô Â. Ôèçèêà â äâàäöàòîì ñòîëåòèè

ÊÂÀÍÒÎÂÀß ËÅÑÒÍÈÖÀ
Êâàíòîâàÿ ôèçèêà î÷åíü ñèëüíî îòëè÷àåòñÿ îò êëàññè÷åñêîé ôèçèêè.  ÷åì ýòî ðàçëè÷èå?
ß õîòåë áû îòâåòèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì: äî òîãî êàê ìû ñòàëè ïîëüçîâàòüñÿ êâàíòîâîé òåîðèåé, íàøå ïîíèìàíèå ïðèðîäû ñîâåðøåííî íå ñîîòâåòñòâîâàëî îäíîìó èç åå íàèáîëåå î÷åâèäíûõ ñâîéñòâ, à èìåííî: òî÷íîñòè è îïðåäåëåííîñòè ñâîéñòâ âåùåé. Ïàð âñåãäà åñòü ïàð, ãäå áû âû åãî íè îáíàðóæèëè. Ñêàëà âñåãäà åñòü ñêàëà. À âîçäóõ — âñåãäà âîçäóõ. Ýòî êà÷åñòâî ìàòåðèè, çàêëþ÷àþùååñÿ â òîì” ÷òî îíà îáëàäàåò îïðåäåëåííûìè ñâîéñòâàìè, ïðåäñòàâëÿåòñÿ ìíå îäíèì èç íàèáîëåå çàìå÷àòåëüíûõ ìîìåíòîâ â îêðóæàþùåé ïðèðîäå.  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ýòîìó íåò îáúÿñíåíèÿ.  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå âñå ñâîéñòâà íåïðåðûâíû.
Êàêîé ñìûñë ìû âêëàäûâàåì â ñëîâî “íåïðåðûâíû”?
Íå ñóùåñòâóåò äâóõ êëàññè÷åñêèõ ñèñòåì, êîòîðûå áûëè áû äåéñòâèòåëüíî îäèíàêîâû. Âîçüìåì, íàïðèìåð, ïëàíåòàðíûå ñèñòåìû çâåçä; ìû âñå çíàåì, ÷òî èõ—ìèëëèàðäû. Ñîãëàñíî íàøèì ñîâðåìåííûì çíàíèÿì, ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî íå íàéäåòñÿ è äâóõ èç íèõ, ñîâåðøåííî îäèíàêîâûõ.  îäíîé èç íèõ ñîëíöå áóäåò íåìíîãî áîëüøå, â äðóãîé íåìíîãî áîëüøå áóäóò ïëàíåòû, áóäóò íåñêîëüêî ðàçëè÷íûìè è èõ îðáèòû. Ïî÷åìó?...  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå èìååòñÿ íåîãðàíè÷åííîå ÷èñëî âàðèàíòîâ. Ïîâåäåíèå îáúåêòîâ çàâèñèò îò íà÷àëüíûõ óñëîâèé, êîòîðûå ìîãóò ïðèíèìàòü íåïðåðûâíûé ðÿä çíà÷åíèé.
 êâàíòîâîé æå òåîðèè ïîëîæåíèå â êîðíå ìåíÿåòñÿ ïîòîìó, ÷òî” îáúåêòû êâàíòîâàíû. Òåïåðü óæå âîçìîæíû íå “ëþáûå” îðáèòû, à òîëüêî îïðåäåëåííûå, è âñå îðáèòû îïðåäåëåííîãî òèïà îäèíàêîâû. Òàêèì îáðàçîì, â êâàíòîâîé òåîðèè èìååò ñìûñë óòâåðæäàòü, ÷òî äâà àòîìà æåëåçà “â òî÷íîñòè” ïîõîæè, ïîñêîëüêó èõ îðáèòû êâàíòîâàíû Íàïðèìåð, àòîìû æåëåçà â Ñîåäèíåííûõ Øòàòàõ è Ñîâåòñêîì Ñîþçå àáñîëþòíî îäèíàêîâû. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïðèíåñëà â ôèçèêó èäåþ òîæäåñòâåííîñòè.
Ìîæåò ïîðàçèòü óïîòðåáëåíèå âûðàæåíèÿ “â òî÷íîñòè”; âåäü äëÿ ìíîãèõ ëþäåé èìåííî íåêîòîðàÿ íåòî÷íîñòü è õàðàêòåðèçóåò. êâàíòîâóþ ôèçèêó. Îíè ïîìíÿò î ñîîòíîøåíèè íåîïðåäåëåííîñòåé.
ß ñòàðûé ïðîòèâíèê òàêîãî òîëêîâàíèÿ ñîîòíîøåíèÿ íåîïðåäåëåííîñòåé. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïðèâíåñëà èìåííî òî÷íîñòü.
Êëàññè÷åñêèé ïîäõîä ãðåêîâ áûë, âèäèìî, îñíîâàí íà ïðàâèëüíîé èíòóèöèè. Ãðåêè âèäåëè â ïðèðîäå äèñêðåòíîñòü.
* Ïåðåðàáîòàííîå àâòîðîì èíòåðâüþ “Ðàçìûøëåíèÿ ñ Âèêòîðîì Âàéñêîïôîì” èç æóðíàëà “Intern. Sci. Technol ”, 1963, v. 62.
46
Äà, íî ãðåêè ïîñòóëèðîâàëè ñóùåñòâîâàíèå àòîìîâ, îíè íå îáúÿñíÿëè èõ. Èñõîäÿ èç êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, íåëüçÿ ïîíÿòü, ïî÷åìó ìîæíî èìåòü ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó îäíîãî òèïà è ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó äðóãîãî òèïà è íåëüçÿ èìåòü íèêàêîé ïðîìåæóòî÷íîé ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû.
Òàêèì îáðàçîì, àòîìû, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðûõ áûëî äëÿ ãðåêîâ àêñèîìîé, â òå÷åíèå äåâÿòíàäöàòè âåêîâ îñòàâàëèñü íåîáúÿñíèìîé ãèïîòåçîé. Áûëè ýêñïåðèìåíòû ïî âçâåøèâàíèþ àòîìîâ, áûëà êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ãàçîâ, à ïðèðîäà àòîìîâ îñòàâàëàñü ïðè ýòîì íåïîíÿòîé.
Èõ ñóùåñòâîâàíèå îñòàâàëîñü àêñèîìîé äî 1913 ã. Åñëè ñìîòðåòü íåñêîëüêî ãëóáæå, òî íåèçáåæíî ñòîëêíîâåíèå ñ ïîäîáíîé ïðîáëåìîé. Âû óïîìÿíóëè î òåîðèè ãàçîâ. Íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä ñîçäàíèåì êâàíòîâîé òåîðèè ëþäè ïðàâèëüíî ðàññìàòðèâàëè ãàçû êàê ñòàëêèâàþùèåñÿ àòîìû. Ïî÷åìó æå ýòè ñòîëêíîâåíèÿ íå âûçûâàþò èçìåíåíèÿ ñàìèõ àòîìîâ? Àòîìû äîëæíû èìåòü êàêîå-òî ñòðîåíèå, íåêîòîðûé ìåõàíèçì âíóòðè, è ñòîëêíîâåíèÿ äîëæíû ïðèâîäèòü ê íåêîòîðîìó èõ èçìåíåíèþ. Îäíàêî ýòîãî íå ïðîèñõîäèò. Óñòîé÷èâîñòü àòîìà ýòî íå÷òî òàêîå, ÷åãî íåëüçÿ ïîíÿòü, îñòàâàÿñü íà ïîçèöèÿõ êëàññè÷åñêîé òåîðèè.
Ñòàâèëñÿ ëè âîîáùå ïîäîáíûì îáðàçîì âîïðîñ äî 1913 ã.? Äà, êîíå÷íî,â èçâåñòíîì ïàðàäîêñå Áîëüöìàíà: ñîãëàñíî êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå, ìû ïðåäïîëàãàåì, ÷òî â ñèñòåìå àòîìîâ, íàõîäÿùåéñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå, òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ äîëæíà áûòü ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíà ñðåäè âñåõ âîçìîæíûõ âèäîâ äâèæåíèÿ.  êóñêå íàãðåòîãî âåùåñòâà ýëåêòðîíû äîëæíû âðàùàòüñÿ áûñòðåå, ïðîòîíû âíóòðè ÿäåð äîëæíû êîëåáàòüñÿ áîëåå ýíåðãè÷íî, ñîñòàâíûå ÷àñòè ïðîòîíîâ äîëæíû ñèëüíåé êîëåáàòüñÿ â ïðåäåëàõ ñâîèõ ãðàíèö è ò. ä. Òàêèì îáðàçîì, óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü ëþáîãî ïðîñòîãî êóñêà âåùåñòâà äîëæíà áûòü ÷ðåçâû÷àéíî âåëèêà.  äåéñòâèòåëüíîñòè æå óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü èìååò èìåííî òàêîå çíà÷åíèå, êîòîðîå ìîæíî ïîëó÷èòü, ðàññìàòðèâàÿ òîëüêî âíåøíåå äâèæåíèå àòîìîâ. Áûëî íåïîíÿòíî, ïî÷åìó òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ íå ïðîíèêàåò âíóòðü àòîìà è íå âîçáóæäàåò åãî âíóòðåííèå ñòåïåíè ñâîáîäû. Ïàðàäîêñ Áîëüöìàíà áûë ñôîðìóëèðîâàí â 1890 ã., çàäîëãî äî ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé òåîðèè. Íî îáúÿñíåíèÿ åìó íå áûëî.
Çíà÷èò, óæå áûëî íåêîòîðîå ðàçâèòèå èäåè îá àòîìå, êîòîðûé ãðåêè ñ÷èòàëè íåäåëèìûì? Äîãàäûâàëèñü ëè ôèçèêè â XIX â. î òîì, ÷òî àòîì èìååò âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó?
Äà. Àòîì èñïóñêàåò ñâåò, è ïîñëå îòêðûòèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ïðèðîäû ñâåòà ñòàëî ÿñíî, ÷òî âíóòðè àòîìà äîëæíî ïðîèñõîäèòü äâèæåíèå, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî èñïóñêàåòñÿ ñâåò; òàêèì îáðàçîì, äîëæíà ñóùåñòâîâàòü è âíóòðåííÿÿ ñòðóêòóðà. Â ýòîì áûë òàêæå è îïðåäåëåííûé ôèëîñîôñêèé ñìûñë, à èìåííî: ïðåäñòàâëåíèå î âîîáðàæàåìîì àòîìå, íå èìåþùåì âíóòðåííåé ñòðóêòóðû, íå ïðàâäîïîäîáíî. Ìîæíî áûëî ñïðîñèòü: “À ÷òî âíóòðè?” — è, íàïðèìåð, íà îòâåò: “Àòîì òâåðäûé”, — âîçðàçèòü, ÷òî è òâåðäûå òåëà èìåþò ñòðóêòóðó.
47
Òàêèì îáðàçîì, îñòàåòñÿ îòêðûòûì âîïðîñ î òîì, ÷òî ïðîèçîéäåò, åñëè ðàññå÷ü àòîì.
Ïî-ìîåìó, êâàíòîâàÿ òåîðèÿ âïåðâûå óêàçàëà, êàê ñëåäóåò ðåøàòü ïîäîáíûå çàäà÷è. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ãîâîðèò, ÷òî àòîì íåäåëèì, åñëè ýíåðãèÿ, ïåðåäàâàåìàÿ åìó, ëåæèò íèæå íåêîòîðîãî ïîðîãà. Çíà÷èò, åñëè ñòàëêèâàþòñÿ àòîìû ñ ýíåðãèÿìè, ìåíüøèìè ïîðîãîâîé, òî îíè ðàçëåòàþòñÿ áåç êàêîãî-ëèáî èçìåíåíèÿ, â òî÷íî òàêîì æå ñîñòîÿíèè, â êàêîì îíè íàõîäèëèñü ðàíüøå. Ýòî óæå íîâàÿ, êâàíòîâîìåõàíè÷åñêàÿ, èäåÿ.
Îäíàêî ïðè ýíåðãèè, ïðåâûøàþùåé ïîðîãîâóþ, àòîìû ðàçâàëèâàþòñÿ íà ÷àñòè è âåäóò ñåáÿ êàê îáû÷íûå êëàññè÷åñêèå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç ðàçíûõ ÷àñòåé. Íàïðèìåð, ïðè î÷åíü âûñîêîé òåìïåðàòóðå àòîì ïîëíîñòüþ ðàçëîæåí íà ñîñòàâëÿþùèå åãî ÷àñòè — ÿäðî è ýëåêòðîíû. Ðàññìîòðèì àòîìû íàòðèÿ è íåîíà. Ïåðâûé èç íèõ èìååò 11 ýëåêòðîíîâ, à âòîðîé 10. Ïðè ýíåðãèè, ìåíüøåé ïîðîãîâîé, îíè íàõîäÿòñÿ â õàðàêòåðíûõ äëÿ íèõ ñèëüíî ðàçëè÷àþùèõñÿ êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèÿõ. Îäèí èç íèõ — ìåòàëë, à äðóãîé — ãàç. Ïðè ýíåðãèè, ïðåâûøàþùåé ïîðîãîâóþ, ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå îáà îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãàç èç ÿäåð è ýëåêòðîíîâ. Ýòî òî, ÷òî íàçûâàþò ïëàçìîé.  ýòîì ñîñòîÿíèè óæå íåò áîëüøîé ðàçíèöû ìåæäó íàòðèåâîé ïëàçìîé è íåîíîì.
Ïîñêîëüêó ñóùåñòâóþò ïîðîãîâûå óðîâíè ýíåðãèè, âûøå êîòîðûõ àòîìû ðàçðóøàþòñÿ, òî ñóøåñòâóþò óðîâíè ýíåðãèè, âûøå êîòîðûõ áóäóò ðàçðóøàòüñÿ è ÿäðà.
Ñîâåðøåííî ñïðàâåäëèâî, ñóùåñòâóåò ïîðîã ýíåðãèè, âûøå êîòîðîãî ÿäðî ðàçëåòàåòñÿ íà ÷àñòè. Ýòîò ïîðîã çíà÷èòåëüíî âûøå àòîìíîãî. Àòîìíûå ïîðîãè èìåþò çíà÷åíèÿ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ýëåêòðîíâîëüò; ÿäåðíûå ïîðîãè — íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ýëåêòðîíâîëüò. Äëÿ îáîçíà÷åíèÿ òàêîé ðàçíèöû ÿ õî÷ó âîñïîëüçîâàòüñÿ-òåðìèíîì êâàíòîâàÿ ëåñòíèöà. Ýòî äâå ñòóïåíè ëåñòíèöû.
Êâàíòîâàÿ ëåñòíèöà ïîçâîëèëà øàã çà øàãîì ðàñêðûòü ñòðîåíèå îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà. Êîãäà ìû èññëåäóåì ÿâëåíèÿ ïðè ýíåðãèè, õàðàêòåðíîé äëÿ àòîìîâ, íàñ íå äîëæíà âîëíîâàòü âíóòðåííÿÿ ñòðóêòóðà èõ ÿäåð. Êîãäà æå ìû èçó÷àåì ïîâåäåíèå ãàçîâ ïðè íîðìàëüíûõ òåìïåðàòóðàõ è äàâëåíèè, íàì íå íóæíî ó÷èòûâàòü ïîäðîáíîñòè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ àòîìîâ, èç êîòîðûõ ñîñòîèò ãàç. Òàêèì îáðàçîì, êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà ðåøàåò ïàðàäîêñ Áîëüöìàíà. Áîëåå òîíêàÿ ñòðóêòóðà âåùåñòâà íå ó÷àñòâóåò â ýíåðãîîáìåíå äî òåõ ïîð, ïîêà ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ íå äîñòèãíåò ñîîòâåòñòâóþùåé ñòóïåíüêè ëåñòíèöû.
Âñÿ íàøà ïðàêòèêà â ïîâñåäíåâíîé æèçíè çàíèìàåò ìåñòî â íèæíåé ÷àñòè Âàøåé ëåñòíèöû, â ïðåäåëàõ àòîìíîãî óðîâíÿ.
Äà.  ýòîì ìåñòå è äàæå íèæå (ðèñ. 1). ß íà÷àë ñ àòîìà, íî èìååòñÿ åùå ðÿä ñòóïåíåê âíèç ïî êâàíòîâîé ëåñòíèöå, î÷åíü âàæíûõ äëÿ íàøåé æèçíè. Ìîëåêóëû, ìàêðîìîëåêóëû, êðèñòàëëû. Âñå æèâîå ñîñòîèò èç ìàêðîìîëåêóë. ×åì íèæå âû ñïóñêàåòåñü ïî êâàíòîâîé ëåñòíèöå, òåì áîëåå ÿðêî âûðàæåííîé ñòàíîâèòñÿ ñïåöèôè÷íîñòü ñòðóêòóð:ÿäðî—àòîì—ìîëåêóëà—ìàêðîìîëåêóëà—æèçíü.
48
Êàêèì æå îáðàçîì âîçíèêàþò ýòè ñïåöèôè÷åñêèå ñòðóêòóðû? Ïî-âèäèìîìó, ýòî îñíîâíîé âîïðîñ.
Ñóùåñòâîâàíèå êâàíòà ÿâëÿåòñÿ âàæíåéøåé ïðåäïîñûëêîé, îáóñëîâëèâàþùåé íàëè÷èå ñòðóêòóð â ïðèðîäå. ×àñòèöû îáúåäèíÿþòñÿ â îïðåäåëåííûå ãðóïïû, ìû èìååì êâàíòîâûå îðáèòû â ÿäðàõ, êâàíòîâûå îðáèòû â àòîìàõ, êâàíòîâûå îðáèòû â ìîëåêóëàõ è êâàíòîâûå îðáèòû â ìàêðîìîëåêóëàõ. Íàøè íàñëåäñòâåííûå ïðèçíàêè åñòü íå ÷òî èíîå, êàê êâàíòîâûå ñîñòîÿíèÿ îòäåëüíûõ ÷àñòåé öåïè ÄÍÊ. Ïîÿâëåíèå êàæäóþ âåñíó öâåòîâ îïðåäåëåííîé ôîðìû â íåêîòîðîì ñìûñëå êîñâåííî ïîäòâåðæäàåò ñóùåñòâîâàíèå îïðåäåëåííûõ êâàíòîâûõ îðáèò â ìîëåêóëå ÄÍÊ — ñëåäñòâèå èäåíòè÷íîñòè è åäèíñòâåííîñòè êâàíòîâûõ îðáèò.
Ïðîèçâîëüíû ëè ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ñòóïåíüêàìè êâàíòîâîé ëåñòíèöû, èëè îíè îáóñëîâëåíû êàêîé-òî ãëóáîêîé ïðè÷èíîé?
Î, äà, èìååòñÿ î÷åíü âåñêàÿ ïðè÷èíà. Îíà çàêëþ÷åíà â ñîîòíîøåíèè ðàçìåð —ýíåðãèÿ: ÷åì ìåíüøå ðàçìåð ñèñòåìû è ÷åì áîëüøå ìàññà äâèæóùèõñÿ â íåé ÷àñòèö” òåì áîëüøå êâàíòîâàÿ ýíåðãèÿ.
Íàïðèìåð, íå ñëó÷àéíî êâàíòîâàÿ ýíåðãèÿ âíåøíåé ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè àòîìà ñîñòàâëÿåò âñåãî íåñêîëüêî ýëåêòðîíâîëüò, â òî âðåìÿ êàê êâàíòîâàÿ ýíåðãèÿ ÿäåðíîé ñèñòåìû ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ýëåêòðîíâîëüò. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî åå ðàçìåðû ìåíüøå, à ìàññà áîëüøå.
Íî äîëæíà áûòü êàêàÿ-òî çàêîíîìåðíîñòü â òîì, ÷òî àòîìû è ÿäðà èìåþò òàêèå ðàçìåðû.
Äà, ïðè÷èíîé ñóùåñòâîâàíèÿ ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêîå ïðèòÿæåíèå ìåæäó ÿäðîì è ýëåêòðîíàìè, à ïðè÷èíîé ñóùåñòâîâàíèÿ ÿäðà êàê öåëîãî ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå ÿäåðíûõ ñèë ìåæäó íóêëîíàìè, ò. å. ïðîòîíàìè è íåéòðîíàìè.
Äî 1930 ã. ñ÷èòàëè, ÷òî â ïðèðîäå ñóùåñòâóþò äâà òèïà ñèë — ýëåêòðè÷åñêèå è ãðàâèòàöèîííûå. Ìû î÷åíü õîðîøî çíàêîìû ñ íèìè íà ìàêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíå.  1913ã. Áîð óñòàíîâèë, ÷òî õèìè÷åñêèå ñèëû — ñèëû, äåéñòâóþùèå âíóòðè àòîìîâ è ìåæäó íèìè— ÿâëÿþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèìè. Òîëüêî â 1930 ã., êîãäà âïåðâûå íà÷àë” èññëåäîâàòü âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó ÿäðà, óçíàëè î íîâûõ ñèëàõ — ÿäåðíûõ. Èìåííî ýòè ñèëû óäåðæèâàþò âìåñòå ïðîòîíû è íåéòðîíû, êîãäà îíè îáðàçóþò àòîìíîå ÿäðî.
Òàêèì îáðàçîì, ÿ ïîëàãàþ, ÷òî îòâåò íà âîïðîñ çàêëþ÷àåòñÿ â ñóùåñòâîâàíèè äâóõ ýòèõ òèïîâ ñèëîâûõ ïîëåé. Ïî÷åìó èìåííî ýòèõ ñèëîâûõ ïîëåé? Ýòî åùå íåðàçðåøåííûé âîïðîñ, è îòâåò íà íåãî, ïî-
49
ôèçèêå âûñîêèõ ýíåðãèè.
Èññëåäîâàíèÿ ïî ôèçèêå âûñîêèõ ýíåðãèé? Ðàçâå åñòü ñòóïåíüêàíà êâàíòîâîé ëåñòíèöå âûøå, ÷åì ÿäåðíûé óðîâåíü)
Äà, åñòü. Ïîñëåäíèå ýêñïåðèìåíòû íà áîëüøèõ óñêîðèòåëÿõ ïîêàçàëè, ÷òî ïðîòîíû è íåéòðîíû òàêæå èìåþò âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó. Ýòè ÷àñòèöû ìîãóò ïåðåõîäèòü â ðàçëè÷íûå ñîñòîÿíèÿ, îíè ìîãóò ïîãëîùàòü ýíåðãèþ; êîðî÷å, áûë îòêðûò ìèð âíóòðè ïðîòîíà. Ýòî è åñòü ñëåäóþùàÿ, áîëåå âûñîêàÿ ñòóïåíü ëåñòíèöû.
Êàêîâ ýíåðãåòè÷åñêèé ïîðîã ýòîé ñòóïåíè?
Ýòó ñòóïåíü ìîæíî äîñòè÷ü, òîëüêî ïåðåéäÿ â äèàïàçîí ýíåðãèé, ïðåâûøàþùèõ ýíåðãèþ â öåíòðå çâåçä. Ìû íå çíàåì, ãäå âî Âñåëåííîé ïðîÿâëÿåòñÿ òàêàÿ ýíåðãèÿ... Ïîæàëóé, å¸ îáíàðóæèâàþò â êîñìè÷åñêîì èçëó÷åíèè, è òî â î÷åíü ðåäêèõ ñëó÷àÿõ. Ìû íàáëþäàåì òàêóþ ýíåðãèþ íà ìèøåíÿõ áîëüøèõ óñêîðèòåëåé è, ìîæåò áûòü, â öåíòðå Ãàëàêòèêè. Òî÷íî íå çíàåì.
Ñ ïîìîùüþ 30-ãèãàýëåêòðîíâîëüòíûõ óñêîðèòåëåé ôèçèêè ïðîðâàëèñü íà íîâûé âûñî÷àéøèé óðîâåíü ýíåðãèè. Íåìåäëåííûì ðåçóëüòàòîì áûëî îòêðûòèå 80 èëè 40 ÷àñòèö. Êàæåòñÿ, ÷òî íîâûå óñêîðèòåëè ñîçäàþò áîëüøå íåðàçáåðèõè, ÷åì ÷åãî-íèáóäü åùå.
ß íå ðàçäåëÿþ òàêîãî ìíåíèÿ. Óòâåðæäåíèå, ÷òî â ôèçèêå âûñîêèõ ýíåðãèé îáíàðóæåíî 30 èëè 40 ÷àñòèö, ñîçäàëî åé äóðíóþ ñëàâó. Íî ýòà ðåïóòàöèÿ íåñïðàâåäëèâà ïî íåñêîëüêèì ïðè÷èíàì. Âî-ïåðâûõ, êàæäûé ðàññìàòðèâàåò àíòè÷àñòèöû êàê îñîáûå ÷àñòèöû, à ýòî àíàëîãè÷íî òîìó, ÷òî âû óäâàèâàëè áû ÷èñëî âèäîâ æèâîòíûõ, ðàññìàòðèâàÿ çåðêàëüíîå îòîáðàæåíèå æèâîòíîãî êàê äðóãîé âèä. Áîëåå òîãî. ß ñ÷èòàþ íåïðàâèëüíûì íàçûâàòü âîçáóæäåííîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû íîâîé ñèñòåìîé. Íåëüçÿ ñ÷èòàòü âîçáóæäåííûé àòîì âîäîðîäà äðóãèì àòîìîì. Ñòàíîâèòñÿ âñå ÿñíåé, ÷òî ýòè íîâûå ÷àñòèöû íå ÷òî "èíîå, êàê âîçáóæäåííûå ñîñòîÿíèÿ äðóãèõ ÷àñòèö.
Êàêèå ÷àñòèöû ÿçëÿþòñÿ îñíîâíûìè, è êàêèå—âîçáóæäåííûìè ñîñòîÿíèÿìè?
Íàïðèìåð, Ó -÷àñòèöà, Ë-÷àñòèöà, Î-÷àñòèöà ÿâëÿþòñÿ âîçáóæäåííûìè ñîñòîÿíèÿìè ïðîòîíà. ß îòâàæèëñÿ áû ñêàçàòü, ÷òî ñóùåñòâóþò òîëüêî äâå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — áàðèîí è ëåïòîí, è ýòè ÷àñòèöû èìåþò ðàçëè÷íûå êîíôèãóðàöèè, ìîãóò íàõîäèòüñÿ â ðàçëè÷íûõ ñîñòîÿíèÿõ, êàê àòîìû âîäîðîäà. Ïðîòîí è íåéòðîí ÿâëÿþòñÿ äâóìÿ ñîñòîÿíèÿìè áàðèîíà, àíàëîãè÷íî äâóì ñîñòîÿíèÿì ýëåêòðîíà — ñî ñïèíîì ââåðõ è âíèç — â àòîìå âîäîðîäà, íàõîäÿùåìñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè. Ó, Î è Ë ÿâëÿþòñÿ âîçáóæäåííûìè ñîñòîÿíèÿìè. Ñèñòåìàòèêà âñåõ ýòèõ ñîñòîÿíèé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òî, ÷òî ÿ ëþáëþ íàçûâàòü òðåòüåé ñïåêòðîñêîïèåé. Ìû èìååì àòîìíóþ ñïåêòðîñêîïèþ (êâàíòîâûå óðîâíè àòîìà), ÿäåðíóþ ñïåêòðîñêîïèþ (êâàíòîâûå óðîâíè ÿäðà), à òåïåðü èìååì òðåòüþ ñïåêòðîñêîïèþ, êîòîðóþ ñîñòàâëÿþò êâàíòîâûå óðîâíè íóêëîíà.
Ëåïòýíû òàêæå áûâàþò íåñêîëüêèõ âèäîâ: ýëåêòðîíû, íåéòðèíî è òÿæåëûà ýëåêòðîíû (èíîãäà íàçûâàåìûå ì-ìåçîíàìè).
50
Êàêèå ìåñòà â íàðèñîâàííîé êàðòèíå çàíèìàþò ì-ìåçîíû K-ìåçîíû? ßâëÿþòñÿ ëè îíè òàêæå ÷àñòèöàìè?
ß áû, ïîæàëóé, íå íàçâàë èõ ÷àñòèöàìè. Îíè — êâàíòû ïîëÿ. Êàê ñâåòîâîé êâàíò ÿâëÿåòñÿ êâàíòîì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, òàêè ì-ìåçîí, Ê-ìåçîí è ìíîãèå äðóãèå ìåçîíû ÿâëÿþòñÿ êâàíòàìè ÿäåðíîãî ïîëÿ.
×òî ýòî çà ïîëå?
Ïîëÿ — ýòî ñïîñîáû âûðàæåíèÿ äåéñòâèÿ ñèë ìåæäó ÷àñòèöàìè. Ïðèòÿæåíèå ìåæäó äâóìÿ ýëåêòðè÷åñêèìè çàðÿäàìè ìîæåò áûòü. òàêæå îïèñàíî êàê äåéñòâèå ïîëÿ îäíîãî èç íèõ íà ïîëå äðóãîãî çàðÿäà. Íî ïîëå — ýòî íå òîëüêî ìàòåìàòè÷åñêàÿ âûäóìêà, îíî òàê æå ðåàëüíî, êàê èñòî÷íèê ÷àñòèö, è ìîæíî ãîâîðèòü î åãî ýíåðãèè è ò. ä.
Äàëåå, êàæäîå ïîëå èìååò êâàíò. Êîãäà ïîëå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå, èñïóñêàåòñÿ â âèäå èçëó÷åíèÿ, îíî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â âèäå êâàíòîâ. Ñàìûì èçâåñòíûì êâàíòîì ïîëÿ ÿâëÿåòñÿ ôîòîí — êâàíò ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ.
Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî â ñëó÷àå ÿäåðíîãî ïîëÿ òðåáóåòñÿ íåñêîëüêî êâàíòîâ: ð-ìåçîí è äðóãèå ìåçîíû. Âñå îíè èãðàþò âàæíóþ ðîëü. Òàê, ð-ìåçîí îòâåòñòâåí çà âíåøíåå äåéñòâèå ÿäåðíîãî ïîëÿ, äðóãèå æå ìåçîíû îáóñëîâëèâàþò ñèëû, äåéñòâóþùèå íà áîëåå áëèçêèõ ðàññòîÿíèÿõ.
Íå áåñïîêîèò ëè ôèçèêîâ, ÷òî ó ýòîãî ïîëÿ ìíîãî êâàíòîâ?
Äà, áåñïîêîèò, íî íå â òàêîé ñòåïåíè, êàê ýòî ìîæåò ïîêàçàòüñÿ. Ýòî ïîëå â íåêîòîðîì ñìûñëå áîëåå ñëîæíîå. Êóëîíîâñêîå ïîëå óìåíüøàåòñÿ îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ðàññòîÿíèþ, à èìåííî êàê 1/r; âû âèäèòå, ÷òî ÿäåðíîå ïîëå áîëåå ñëîæíîå, ïîýòîìó íå óäèâèòåëüíî, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå òðåáóåòñÿ ìíîãî êâàíòîâ. Óñëîæíåíèå âûðàæàåòñÿ è â òîì, ÷òî êâàíòû õàðàêòåðèçóþòñÿ èçîòîïè÷åñêèì ñïèíîì è åùå îäíèì êâàíòîâûì ÷èñëîì, êîòîðîå íàçûâàåòñÿ ãèïåðçàðÿäîì, èëè ñòðàííîñòüþ.
Çíà÷èò, ïðè ýòîì ôèçèêè âûíóæäåíû òàêæå ââîäèòü è íîâûå êâàíòîâûå ÷èñëà?
Äà. Ýòè êâàíòîâûå ÷èñëà èãðàþò âàæíóþ ðîëü â òðåòüåé ñïåêòðîñêîïèè. Âîçáóæäåííûå ñîñòîÿíèÿ áàðèîíà ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ñ ïîìîùüþ íîâûõ êâàíòîâûõ ÷èñåë.
Íî îñíîâíàÿ èäåÿ òî÷íî òàêàÿ æå, êàê è ïðè îïèñàíèè ñïåêòðà âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé ëþáîãî àòîìà, âîäîðîäà ê ïðèìåðó. Îñíîâíûì ñîñòîÿíèåì ÿâëÿåòñÿ, êîíå÷íî, ïðîòîí èëè íåéòðîí (íåéòðîí èìååò íåñêîëüêî áîëüøóþ ýíåðãèþ). Äàëåå, èìååòñÿ íåñêîëüêî âîçáóæäåííûõ ñîñòîÿíèé — íàçâàíèÿ, äàííûå èì ïåðâîíà÷àëüíî, íå èìåþò òåïåðü îñîáîãî ñìûñëà, è ìû ðàçëè÷àåì èõ ïî êâàíòîâûì ÷èñëàì.
Êàæåòñÿ, èìååòñÿ ëþáîïûòíàÿ èñòîðè÷åñêàÿ ïàðàëëåëü. Êàê íà çàðå ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîé ñïåêòðîñêîïèè ñïåêòðàëüíûå ëèíèè ïîëó÷àëè íàçâàíèÿ ïî ìåðå èõ ïîÿâëåíèÿ, òàê è íàçâàíèÿ ÿäåðíûõ ÷àñòèö ïîÿâëÿëèñü ïî ìåðå èõ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî îòêðûòèÿ.
51
Ñîâåðøåííî âåðíî... Åñòü âîçáóæäåííûå ñîñòîÿíèÿ, êîòîðûå èìåþò ðàçíîå êâàíòîâîå ÷èñëî — ñòðàííîñòü. È îíè èìåþò íàçâàíèÿ — ëÿìáäà, íàïðèìåð. Íî îíè ïîëó÷èëè íàçâàíèÿ òîëüêî ïîòîìó, ÷òî, îáëàäàÿ ðàçíîé ñòðàííîñòüþ, ÿâëÿþòñÿ ìåòàñòàáèëüíüìè è ñóùåñòâóþò äîñòàòî÷íî äîëãî, òàê ÷òî èõ ìîæíî íàáëþäàòü, êàê äðóãèå ÷àñòèöû. Çäåñü èìååòñÿ àíàëîãèÿ ñ ìåòàñòàáèëüíüìè àòîìíûìè ñîñòîÿíèÿìè.
Íà óñêîðèòåëÿõ â Öåðíå è Áðóêõåéâåíå äîñòèãëè î÷åíü âûñîêîé ýíåðãèè ïðè èíòåíñèâíîñòè, êîòîðàÿ, ïî-âèäèìîìó, íå ðåàëèçóåòñÿ âî Âñåëåííîé èíûì ñïîñîáîì. Ïðè ïðîâåäåíèè ôèçè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé â îáëàñòè, íåäîñòèæèìîé â ïðèðîäå, ê ÷åìó ñòðåìÿòñÿ ôèçèêè?
ß ãëóáîêî óáåæäåí, ÷òî â ïðèðîäå ñóùåñòâóåò òàêîå ðàçíîîáðàçèå, ÷òî ëþáîé ïðîöåññ, êîòîðûé îáíàðóæèì íà Çåìëå, èãðàåò âàæíóþ ðîëü ãäå-òî åùå. Âîò ïî÷åìó ÿ ñ÷èòàþ, ÷òî ýêñïåðèìåíòû, êîòîðûå ìû ïðîâîäèì íà ýòèõ âûñøèõ ñòóïåíüêàõ êâàíòîâîé ëåñòíèöû,
áóäóò èìåòü çíà÷åíèå ïðè ðåøåíèè îäíîé èç íåðåøåííûõ ïðîáëåì, òàêèõ, êàê ïðîáëåìû ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, âîçíèêíîâåíèÿ ìàòåðèè è ôóíäàìåíòàëüíîãî ñòðîåíèÿ âåùåñòâà. Âîçìîæíî, ýòè ýêñïåðèìåíòû ñâÿçàíû è ñ âîïðîñîì îáðàçîâàíèÿ Âñåëåííîé.
Ìîæåò áûòü, ìû ñåé÷àñ ýêñïåðèìåíòèðóåì â óñëîâèÿõ, êîòîðûå 20 ìèëëèàðäîâ ëåò íàçàä...
Ýòî äåëî âêóñà. Êàê âû çíàåòå, ñóùåñòâóþò äâå òî÷êè çðåíèÿ, êîòîðûå ÿ õîòåë áû íàçâàòü äâóìÿ “ðåëèãèÿìè”. Îäíà èç íèõ — òåîðèÿ áîëüøîãî âçðûâà, ñîãëàñíî êîòîðîé Âñåëåííàÿ íà÷àëà ðàçâèâàòüñÿ ìèëëèàðäû ëåò íàçàä ïðè ãðîìàäíûõ äàâëåííÿõ è ýíåðãèè, ñîñðåäîòî÷åííûõ â íåáîëüøîì îáúåìå; äðóãàÿ —òåîðèÿ íåïðåðûâíîãî ðàçâèòèÿ. ß óâåðåí, ÷òî ïðàâèëüíîãî îòâåòà íà âîïðîñ îá îáðàçîâàíèè Âñåëåííîé íå äàåò íè îäíà òåîðèÿ. Íî ñïðàâåäëèâî ïîëàãàòü, ÷òî åñëè áîëüøîé âçðûâ èìåë êàêîå-òî îòíîøåíèå ê äåéñòâèòåëüíîñòè, òî íåêîòîðûå èç åãî ðàííèõ ôàç ìîãëè ïðîèçîéòè íà ñàìîé ïîñëåäíåé ñòóïåíè êâàíòîâîé ëåñòíèöû.
Ñëîâî “ðåëèãèÿ” óïîòðåáëÿåòñÿ, ÷òîáû ïîä÷åðêíóòü ðàçíèöó ìåæäó òåìè ÷àñòÿìè ôèçèêè, êîòîðûå îñíîâûâàþòñÿ íà ôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ, è òåìè, êîòîðûå ýêñòðàïîëèðóþòñÿ íà óñëîâèÿ, íå ïîääàþùèåñÿ íèêàêèì îáðàçîì âîñïðîèçâåäåíèþ?
Ñîâåðøåííî ïðàâèëüíî. Ýòè ÷àñòè íåîáõîäèìî ÷åòêî ðàçëè÷àòü. Ïðàâäà, ÿ âñå æå ñ÷èòàþ, ÷òî ýòè ãèïîòåçû íåîáû÷àéíî óâëåêàòåëüíû. Êîãäà-íèáóäü, ïîñëå òîãî êàê ìû áîëüøå óçíàåì îáî âñåõ ýòèõ âåùàõ, ìîæåò áûòü, îíè è ñòàíóò íàñòîÿùåé ôèçèêîé.
Äåéñòâèòåëüíî ëè ïóòü ïðîãðåññà âåäåò íàñ íåèçáåæíî â îáëàñòü âñå áîëåå è áîëåå âûñîêèõ óðîâíåé ýíåðãèè, èëè ó êâàíòîâîé ëåñòíèöû. åñòü ïîñëåäíÿÿ âåðõíÿÿ ñòóïåíüêà?
Ïîñëåäíÿÿ êâàíòîâàÿ ñòóïåíüêà? ß íå ìîãó îòâåòèòü. Ó ôèçèêîâ âñåãäà ñóùåñòâîâàëà áîëüøàÿ ìå÷òà, ìîæåò áûòü òîëüêî ìå÷òà, ÷òî íà ñëåäóþùåé ñòóïåíüêå êâàíòîâîé ëåñòíèöû áóäåò îòêðûò âñåîáùèé çàêîí. Òàê äóìàë Ãåéçåíáåðã. Êàæäûé ôèçèê íåìíîæêî âåðèò, ÷òî êîãäà-íèáóäü ìû ïðèäåì ê îòêðûòèþ íåêîòîðûõ ôóíäàìåíòàëüíûõ ôàêòîâ, èñõîäÿ èç êîòîðûõ ñìîæåì îáúÿñíèòü âñå. ß íå î÷åíü
52
óâåðåí â ýòîì. Âîçìîæíî, ïðèðîäà íåèñ÷åðïàåìà. Íî, ìîæåò áûòü, ýòî è íå òàê.
Çíà÷èò, ïîñëåäíÿÿ ñòóïåíüêà ìîãëà áû ñóùåñòâîâàòü, åñëè áû ìû çíàëè, ÷òî ïðîèçîéäåò ïðè äîñòèæåíèè â 100 ðàç áîëåå âûñîêîé ýíåðãèè, ÷åì ñåé÷àñ?
Äà. Íî ÷òîáû äîñòè÷ü òàêîãî ïîëîæåíèÿ, íàì íóæåí Ãåéçåíáåðã èëè Áîð áóäóùåãî, êîòîðûé ñîçäàñò òåîðèþ, îáúÿñíÿþùóþ âñå ÿâëåíèÿ â çíàêîìûõ íàì òåðìèíàõ. Äî òåõ ïîð, ïîêà íå áóäåò òàêîé òåîðèè, ìû íèêîãäà íå áóäåì ãàðàíòèðîâàòü, ÷òî íå áóäåò îòêðûò íîâûé ìèð. Ìû õîòåëè áû ñîçäàòü óñêîðèòåëè íà áîëåå âûñîêèå ýíåðãèè, ÷òîáû îáíàðóæèòü åãî.
Âûøå ãîâîðèëîñü, ÷òî àòîìû ñ ôèëîñîôñêîé òî÷êè çðåíèÿ íåóáåäèòåëüíû, ïîñêîëüêó âñåãäà ìîæíî ñïðîñèòü, ÷òî íàõîäèòñÿ âíóòðè íèõ. Åñëè ôèçèêà íå ÿâëÿåòñÿ íåèñ÷åðïàåìîé, òî â êàêîé-òî ìîìåíò äåéñòâèòåëüíî íàéäóò ýëåìåíòàðíûå, íåäåëèìûå ÷àñòèöû.
ß íå íàçâàë áû èõ ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè, ýòî ìîæåò áûòü ÷òî-íèáóäü åùå. Ïîëå, èëè äàæå êàêîé-íèáóäü íîâûé îáúåêò, êîòîðûé òàê æå äàëåê îò ïîëÿ, êàê ïîëå îò ÷àñòèöû, ñëåäîâàòåëüíî, ÷òî-òî íîâîå, íî îõâàòûâàþùåå âñå. ×òî ýòî áóäåò, ìû íå çíàåì -.-ìû íàõîäèìñÿ òîëüêî â íà÷àëå ïóòè.
 
Âàéñêîïô Â. Ôèçèêà â äâàäöàòîì ñòîëåòèè. Ì.,1977., Ñ. 46-53.
.

Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà












 





Íàâåðõ

sitemap:
Âñå ïðàâà íà êíèãè ïðèíàäëåæàò èõ àâòîðàì. Åñëè Âû àâòîð òîé èëè èíîé êíèãè è íå æåëàåòå, ÷òîáû êíèãà áûëà îïóáëèêîâàíà íà ýòîì ñàéòå, ñîîáùèòå íàì.