Текст книги "Физики продолжают шутить"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 15 страниц)

Прошлое и будущее теории поля

В теоретической модели, основанной на экспериментальных наблюдениях, достоверных с точностью до одного стандартного отклонения.

Наблюдатель (обычно хорошо информированный)

Чтобы понять все значение теории поля, необходимо рассмотреть этот предмет на соответствующем историческом фоне. К 1930 году физика объяснила все наблюдаемые величины. И с тех пор занималась величинами только ненаблюдаемыми, которые и являются предметом рассмотрения в теории поля (1

[Закрыть]).

К тому же времени относится открытие Клейна. Ему мы обязаны уравнением, которое пишется одинаково как в неподвижной, так и в движущейся системах координат, например уравнение получается одинаковым независимо от того, пишете ли вы его сидя или на бегу (давняя мечта теоретиков).

В конце 40-х годов теория получила мощный толчок благодаря открытию знаменитого Лэмбовского сдвига. Вместо формул теоретики-полевики начали рисовать картинки, причем часто делали это на обратной стороне старых конвертов, тем самым существенно снижая затраты на теоретические исследования. Стоимость же экспериментальных исследований в этот период существенно возросла, чему способствовали неутомимые экспериментаторы, которые, докапываясь до неслыханных глубин, извлекали оттуда на объяснение своим друзьям-теоретикам один лакомый кусочек за другим по средней цене 106 долларов за кусочек. Все, однако, были согласны, что результаты стоили этих затрат, тем более, что затраты были направлены на общее благо и покрывались, естественно, за счет налогоплательщиков.

Таким образом, Физика неотвратимо вступила в сильное взаимодействие с Правительством. Возможно, этим объясняется тот факт, что в 50-е годы в деятельности правительства все сильнее стали замечаться проявления принципа наименьшего действия.

И вот, наконец, прикрываясь Римановыми листами, теоретики пробили себе дорогу в нефизические области и обнаружили, что все имеет свою мнимую часть. В последнее время крепнет подозрение, что и сам объект исследования – амплитуда рассеяния – величина чисто мнимая...

Все уверены в том, что теория поля откроет в физике новую героическую эпоху, но когда это случится – сейчас еще не время предсказывать.

Будущее теории поля лежит в аналитическом продолжении всего, что только можно, в комплексную плоскость. В одной из ранних работ было предложено продолжить в комплексную область квантовое число «странность» с тем, чтобы научиться классифицировать те чисто мнимые частицы, об открытии которых постоянно сообщает «Нью-Йорк таймс».

Там же предлагалось продолжить аналитически «двухкомпонентную теорию», чтобы получить «двухкомпонентный эксперимент», имеющий две составляющие – «Правильную» и «Неправильную». Хорошая двухкомпонентная теория должна точно описывать обе компоненты эксперимента.

Дисперсионные соотношения и коэффициенты Рака тоже нужно исследовать с этой точки зрения. Вычисление значений этих (и других) коэффициентов для комплексных значений аргументов обещает вдумчивому исследователю много незабываемых часов у электронно-вычислительной машины.

Аналитическое продолжение эффекта Мессбауэра приводит к заключению, что ключ к будущему развитию теории поля вероятнее всего погребен в какой-нибудь непонятной статье, опубликованной и забытой в 30-е годы. Попытки использовать такой вывод, однако, практически будут скорее всего безуспешными благодаря парадоксу Пайерлса-Йенсена (если кто-нибудь и найдет ту самую статью, он все равно не поймет ее смысла, пока его не обнаружат экспериментально – независимо и совершенно случайно).

Имеется много способов аналитически продолжать задачу многих тел в область теории поля:

Приближение случайных статей. Много проще самому написать статью, чем прочитать все уже опубликованные статьи, в которых было сделано то же самое. Изменив формулировки и обозначения, вы не только уничтожите всякие следы связи вашей работы с предшествующими, но и дадите будущим исследователям возможность писать свои собственные статьи вместо того, чтобы читать вашу. Результат – экспоненциальный рост числа статей, которые все утверждают одно и то же и тем самым дают вклад в теорию поля.

Упрощение задач и проверка путем изобретения приближенного гамильтониана. Этим вы открываете широкие возможности работы для тех людей, которые иначе не знали бы, чем заняться. Теперь они будут обсуждать недостатки вашего приближенного гамильтониана.

Аналитическое продолжение проблемы многих тел в область комплексного числа частиц. Особенно интересно изучение эффектов спаривания для того случая, когда частиц в паре не две, а произвольное комплексное число.

Аналитическое продолжение формализма Брауна и метода функций Грина на все другие цвета спектра (2

[Закрыть]).

Напечатано в журнале «The Journal of Irreproducible Results», 12, 3 (1963).

Как мы измеряли реактивность

Энрико ФЕРМИ

Отрывок из последнего выступления Ферми, на заседании Американского физического общества. Выступление было неофициальным, и Ферми говорил без конспекта. Текст восстановлен по магнитофонной записи и опубликован в неприглаженной», неотредактированной форме. Возможно, Ферми был бы этим недоволен, так как сам он всегда очень тщательно готовил к публикации все свои работы.

...Итак, мы подходим к 1939 году, когда Эйнштейн написал свое знаменитое письмо президенту Рузвельту, в котором советовал обратить внимание на ситуацию в физике и говорил, что, по его мнению, долг правительства обратить на это серьезное внимание и оказать физикам помощь. И действительно, через несколько месяцев помощь была оказана. Это были 6000 долларов, и эти 6000 долларов были использованы для закупки огромного количества, или, скажем так, того, что по тем временам казалось огромным количеством, графита – по тем временам, когда зрение у физиков еще не было так испорчено.

И вот физики на седьмом этаже лаборатории Пьюпина стали выглядеть как углекопы, и жены, к которым усталые физики возвращались по вечерам, не могли понять, в чем дело. Конечно, «смок» и так далее, но все-таки...

А дело было в том, что как раз в то время мы пытались узнать что-нибудь о поглощении в графите и ничего хорошего мы от графита не ждали. Так вот, для этого мы построили из графита колонну со стороной в четыре фута или около того и высотой футов десять. Это был, по-видимому, первый случай, когда физическая аппаратура – а эта куча графита была физической аппаратурой – оказалась такой большой, что на нее можно было – и нужно было – взбираться. С циклотронами было то же самое, но для меня это был первый случай, когда мне пришлось карабкаться на собственную установку, которая оказалась немножко выше, чем следует, – я ведь человек невысокий.

Ну, время шло, и мы начали понимать, что именно мы должны мерить, и с какой точностью эти величины – я назову их abcd – у меня нет времени объяснять вам, что это такое, – с какой точностью abcd должны быть измерены, чтобы стало ясно, что можно, а что нельзя. Ну, в общем произведение этих трех величин должно было быть больше единицы. Теперь-то мы знаем, что даже если очень постараться, получится произведение 1,1.

Если бы, например, мы могли измерить каждую из этих величин с точностью до 1%, то получилось бы, например, что произведение равно 1,08± 0,03, и если так, то мы сказали бы: «Все в порядке, давайте работать», а если бы произведение получилось 0,95± 0,03, то следовало бы поискать чего-то другого. Ну, а если у вас получается 0,9 ± 0,3, то что вы знаете? По-видимому, вообще ничего. Даже если получилось 1,1 ± 0,3, вы тоже знаете не больше. В этом была вся беда, и если вы посмотрите в наши первые работы, где приведены значения, полученные разными экспериментаторами, то увидите, что они отличаются друг от друга на 20% и больше. Эти величины я думаю, свидетельствовали главным образом о темпераменте физиков. Оптимисты неизбежно их преувеличивали, а пессимисты вроде меня старались сделать поменьше.

В общем никто ничего по-настоящему не знал, и мы решили, что нужно что-то предпринять. Надо было придумать такой эксперимент, в котором измерялось бы сразу произведение abcd, а не эти величины в отдельности.

Так вот, мы пошли к декану Пеграму, который тогда в университете был магом и волшебником, и объяснили ему, что нам нужно большое помещение. Когда мы говорили «большое», то имели в виду по-настоящему большое, и он, помнится, в разговоре сказал что-то о том, что церковь не очень подходящее место для создания физической лаборатории, но я думаю, что как раз церковь была бы именно тем, чего мы хотели. Покрутившись немного по двору, он повел нас по темным коридорам, и мы пролезали под какими-то отопительными трубами и заглядывали в разные закоулки в поисках места для своего эксперимента, пока наконец не нашли большую комнату, правда, – не церковь, но нечто аналогичное по размерам.

Тут мы и начали воздвигать свою конструкцию, которая и на этот раз выглядела на порядок крупнее всего, что мы видели до сих пор. Правда, современный физик, чтобы разглядеть эту конструкцию, возможно, вынет увеличительное стекло и подойдет поближе. Но по тому времени она выглядела по-настоящему большой. Конструкция была сложена из графитовых кирпичей, а среди этих графитовых кирпичей в некотором порядке располагались большие жестянки, кубические жестянки с окисью урана.

Ну, как вы, может быть, знаете, уголь – вещество черного цвета. Окись урана тоже. И люди, имеющие дело с тоннами этих субстанций, – тоже. Кроме того, для такого дела нужны сильные люди. Ну, мы, конечно, были в разумной степени сильными, но надо иметь в виду, что в конце-то концов мы были мыслителями. Тогда декан Пеграм покрутил головой и сказал, что такая работа, конечно, не по нашим слабым силам, а в Колумбийском университете есть футбольная команда и в ней дюжина или около того очень крепких ребят, которые берут работу с почасовой оплатой, чтобы заработать себе на учебу. Почему бы их не нанять?

Это была блестящая идея. Руководить работой этих крепких ребят, которые таскали уран и укладывали (засовывали) его на место, обращаясь с 50– и 100-фунтовыми пачками с такой легкостью, как будто они весили 3...4 фунта, было истинным наслаждением. Они так швыряли эти пачки, что в воздухе только пыль столбом стояла – всех цветов, главным образом черного.

Вот так и воздвигалось то, что тогда называлось экспоненциальным котлом.

К квантовой теории абсолютного нуля температуры

Д. Бак, Г. Бете, В. Рицлер

(Кембридж)

«К квантовой теории абсолютного нуля температуры» и заметки, переводы которых помещены ниже:

К квантовой теории абсолютного нуля температуры

Движение нижней челюсти у крупного рогатого скота...

Физическая нумерология

Земля как управляемый космический корабль

Послеобеденные замечания о природе нейтрона

Анализ современной музыки с использованием волновых функций...

написаны известными физиками и опубликованы в таких серьезных журналах, как «Naturwissenschaften» и «Nature». Редакторы журналов «попались на удочку громких имен» и, не вдаваясь в существо написанного, направили материал в набор, не разглядев в нем шутки.

В данной работе нами был рассмотрен кристалл с гексагональной решеткой. Как известно, при абсолютном нуле температуры в системе происходит вымораживание всех степеней свободы, то есть прекращаются полностью все внутренние колебания. Однако для электрона, движущегося по боровской орбите, это обстоятельство не имеет места. Каждый такой электрон, согласно Эддингтону, обладает 1/a степенями свободы, где a – введенная Зоммерфельдом постоянная тонкой структуры. Поскольку рассматриваемый нами кристалл состоит также из протонов, которые по теории Дирака можно рассматривать как дырки в электронном газе, то к 1/a степеням свободы электрона следует добавить столько же степеней свободы протона. Таким образом, чтобы достичь абсолютного нуля температуры, мы должны отнять у нашей нейтральной системы (кристалл должен быть электрически нейтральным), состоящей из одного электрона и протона (в расчете на один нейтрон), – (2/a – 1) степеней свободы (Freiheitsgrade). Единицу мы вычли, чтобы не учитывать вращательного движения.

Следовательно, для температуры абсолютного нуля находим

Т0 = – (2/a – 1) градусов (Grade). Подставив сюда T0 = –273, находим, что a = 1/137. Это значение в пределах ошибок эксперимента находится в замечательном согласии с ранее известным значением. Легко показать, что этот результат не зависит от выбора структуры кристаллической решетки.

Напечатано в журнале «Naturwissenschaften», 19, №2 (1931).

Д. Бак – физик-теоретик, профессор Бразильского физического института в Рио-де-Жанейро.

Г. Вете – американский физик-теоретик, проф. Корнеллского университета, лауреат премии Энрико Ферми и медали Макса Планка. Автор многих книг по теории ядра, хорошо известных советскому читателю.

В. Рицлер – немецкий физик, директор Института ядерной физики Боннского университета.

Движение нижней челюсти у крупного рогатого скота в процессе пережевывания пищи

П. Иордан и Р. де Крониг

Среди биологических явлений, в которых проявляется выделенность одного из двух возможных направлений вращения (к ним относятся, например, спиральный рост ползучих растений и строение раковин улиток), существует еще одно, которое до сих пор, по-видимому, не изучалось и на которое мы хотим обратить здесь внимание. Речь идет о жевательных движениях крупного рогатого скота. Детальное исследование показывает, что движение нижней челюсти относительно верхней не является ни чисто горизонтальным, ни чисто вертикальным, а представляет собой суперпозицию этих периодических движений с таким сдвигом фаз, что в результате получается чистое вращение. Теоретически, конечно, вращение в двух направлениях вполне допустимо, и наблюдение показывает, что в природе осуществляются обе возможности. Принимая направление движения пищи за положительное, мы будем называть право– и левовращающими коровами тех особей, у которых жевательное движение происходит (если смотреть спереди) по и против часовой стрелки соответственно.

Подобная классификация, разумеется, молчаливо предполагает, что у заданной коровы направление вращения сохраняется. Однако количество экспериментальных наблюдений, которые мы можем привести в подтверждение этого заключения, ограничено, и мы отдаем себе отчет в том, что для окончательного доказательства этого положения необходимы более полные данные, полученные за большой промежуток времени. Выборочное обследование коров провинции Шеланд в Дании привело нас к заключению, что 55% их полного числа являются правовращающими, а остальные – левовращающими. Таким образом, отношение близко к единице. Числа проведенных наблюдений, однако, вряд ли достаточно для того, чтобы решить окончательно, является ли замеченное отклонение от единицы реально существующим фактом. Тем более невозможно пока обобщить эту закономерность на коров других стран.

То обстоятельство, что реализуются оба направления вращения, влечет за собой необходимость выяснить вопрос о том, существует ли простой механизм передачи по наследству того отличительного признака, который мы сейчас обсуждаем. Известно, например, что для упомянутых выше улиток законы генетики применимы в их наиболее простой форме. В большинстве же других случаев существование только одного направления делает подобные исследования невозможными. Представляет интерес выяснить, какая из модификаций для коров является доминирующей. Мы, к сожалению, не можем решить этот важный вопрос, но надеемся, что ответ на него легко смогут найти люди, имеющие непосредственное отношение к разведению крупного рогатого скота.

Напечатано в журнале «Nature», 120, 807 (1927).

П. Иордан, Р. де Крониг – известные физики, сотрудники Института теоретической физики, Копенгаген.

Физическая нумерология

И.Дж. Гуд

Нумерология описывает деятельность по отысканию простых численных выражений для фундаментальных физических констант. В истории науки известно несколько примеров, когда нумерология опережала теорию.

В 1857 году Кирхгоф заметил совпадение между значением скорости света и величиной отношения электрических единиц измерения. В 1858 году Риман представил статью в Геттингенскую академию, в которой высказывал предположение о конечности скорости распространения взаимодействия и пришел к заключению, что она должна равняться отношению единиц, т.е. скорости света.

В 1885 году Бальмер дал формулу для частот спектральных линий водорода. В 1913 году она была объяснена Бором и в 1926 году с большей точностью – Дираком и Паули на основе квантовой теории. Осталось лишь объяснить саму квантовую теорию.

В 1747 году Дж. Боде предложил простую формулу, которая хорошо описывала расстояние от Солнца до всех шести известных к тому времени планет. Открытый позднее Уран и астероиды также описывались этим выражением, за исключением Нептуна и Плутона. Общепринятого объяснения этому факту до сих пор нет.

Большое число примеров из области физической нумерологии относится к попыткам связать между собой массы «элементарных» частиц. Вот один из многочисленных примеров рассуждений такого рода. Массы элементарных частиц должны быть собственными значениями простых операторов или корнями простых функций. Если an– куб n-го положительного корня функции Бесселя In, то

an= In+ n,

что с пятью знаками совпадает с массами нейтрона и гиперона по отношению к электронной массе.

Напечатано в книге: «The Scientists Speculates».

Земля как управляемый космический корабль

Д. Фроман

Речь на банкете, состоявшемся после конференции по физике плазмы, организованной Американским физическим, обществом в ноябре 1961 года в Колорадо-Спрингс.

Поскольку я не очень хорошо разбираюсь в физике плазмы и термоядерном синтезе, я буду говорить не о самих этих явлениях, а об одном их практическом применении в ближайшем будущем.

Представим себе, что нам удалось изобрести космический корабль, который движется за счет того, что выбрасывает продукты реакций D– D и D– Т. На таком корабле можно стартовать в космос, поймать там несколько астероидов и отбуксировать их на Землю. (Идея, правда, не нова.) Если не очень перегружать ракету, то можно было бы доставить на Землю 1000 тонн астероидов, затратив всего около тонны дейтерия. Я, честно говоря, не знаю, из какого вещества состоят астероиды. Однако вполне может оказаться, что наполовину они состоят из никеля. Известно, что 1 фунт никеля стоит 50 центов, а 1 фунт дейтерия – около 100 долларов. Таким образом, на 1 миллион долларов мы могли бы купить 5 тонн дейтерия и, израсходовав их, доставить на Землю 2500 тонн никеля стоимостью в 2,5 миллиона долларов. Неплохо, правда? Я уже было подумывал, а не организовать ли мне Американскую Компанию по Добыче и Доставке Астероидов (АКДДА)? Оборудование такой компании будет исключительно простым. При достаточной субсидии со стороны дяди Сэма можно было бы основать весьма доходное дело. Если кто-либо из присутствующих с крупным счетом в банке пожелает войти в число учредителей, пусть подойдет ко мне после банкета.

А теперь давайте заглянем в более отдаленное будущее. Лично я вообще не могу понять, почему астронавты мечтают попасть в межзвездное пространство. В ракете ведь будет страшная теснота. Да и в питании им придется себя сильно урезать. Но это еще полбеды. Главная неприятность – что астронавт в ракете будет находиться в том же положении, что и человек, помещенный против пучка быстрых протонов из мощного ускорителя (посмотрите рисунок). Очень мне жаль бедного астронавта; о его печальной участи я даже сочинил балладу:

Баллада об астронавте*

(вольный перевод с английского В. Турчина)

От бета-инвертора

И гамма-конвертора

Осталась обшивка одна.

А ионная пушка,

Как пустая хлопушка,

Торчит, ни на что не годна.

Все распались мезоны,

Все распались нейтроны,

Излучился весь видимый свет.

По закону Кулона

Разбежались протоны,

На лептоны ж надежды нет.

Поврежденный реактор

Тарахтит, словно трактор,

В биокамере – гниль и прель.

Вот сопло уж забилось,

Да и дно прохудилось,

И вакуум хлещет в щель...

Он летел к Ориону,

Но поток гравитонов

Пересек неожиданно путь.

Отклонившись от курса

И спустив все ресурсы,

Он сумел и от них ускользнуть.

Сделав крюк здоровенный,

Облетел пол-Вселенной

И теперь на пустом корабле

По последней прямой

Возвращался домой,

Приближаясь к планете Земле.

Но борясь с тяготеньем

Сверх-сверх-сверхускореньем,

Он замедлил стрелки часов.

И стрелки застыли,

На Земле ж проходили

Тысячи тысяч веков.

Вот родные планеты...

Боже! Солнце ли это? –

Темно-красный, чуть теплый шар...

Над Землею дымится,

Над Землею клубится

Водородный, холодный пар.

Что же это такое?

Где же племя людское? –

В неизвестных, далеких мирах.

Вырастают их дети

Уж на новой планете,

А Земля вся в космических льдах.

Чертыхаясь и плача

От такой неудачи,

Астронавт повернул рычаг.

И раздалось Б,

И раздалось А,

И раздалось Х –

БАX!

Но мне жаль и тех, кто останется на Земле. Ведь наше Солнце не вечно. Оно когда-нибудь потухнет, погрузив все окружающее в космический мрак и холод. Как мне рассказывал Фред (Фред Хойл то есть) (3

[Закрыть]), через пару миллиардов лет на Земле будет так холодно, что не то что о комфорте, о самой жизни на этой планете не может быть и речи. А следовательно, имеет явный смысл куда-нибудь податься. Мне кажется, что для большинства из нас самым удобным космическим кораблем все же была бы сама Земля. Поэтому если нам не нравится, что наше светило постепенно гаснет и вообще если все в Солнечной системе нам надоело, зачем здесь оставаться? Давайте полетим куда-нибудь прямо на нашей Земле. При этом все трудности, связанные с космическим полетом, отпадут сами собой. Ведь проблемы защиты от радиации не существует, на Земле есть атмосфера, да и скорость движения будет невелика. Безопасность и приятность такого путешествия очевидны.

Однако хватит ли нам энергии? Прежде всего понадобятся тепло и свет: ведь в течение долгого времени мы будем удалены от Солнца или какой-либо другой звезды. Дейтерий, содержащийся в океанской воде, может дать нам 1038 эрг, следовательно, если использовать его только для отопления и освещения, то этого хватит на три миллиона лет – срок вполне достаточный. Правда, здесь имеется небольшая загвоздка. При нашей скорости мы будем потреблять 3·1010 фунтов дейтерия в год, а стоимость его 100 долларов за фунт, следовательно, потребляемый дейтерий в 100 раз превысит годовой бюджет современных воздушных сил. Но, быть может, удастся получить дейтерий по оптовым ценам?

Однако нам понадобится еще энергия для того, чтобы оторваться от Солнца. Расчет показывает, что на это пойдет 2,4·1040 эрг, то есть гораздо больше, чем может дать весь океанский дейтерий. Поэтому необходимо будет изыскать другие источники энергии. Я полагаю, что для решения этой проблемы нам придется обратиться к синтезу альфа-частицы из четырех протонов. При использовании этой реакции все протоны мирового океана дадут нам энергию 1042 эрг, то есть в сорок раз больше того, что нужно, чтобы оторваться от Солнца.

В качестве рабочего тела можно использовать песок. Выбрасывая 1000 молекул SiO2 на каждую синтезированную альфа-частицу, мы для отрыва от Солнца должны будем истратить всего 4% массы Земли. Мне кажется, что мы можем себе это позволить. Тем более для такой цели не жалко будет израсходовать Луну: ведь вдали от Солнца от нее все равно нет никакого проку. Покинув Солнечную систему и скитаясь в космическом пространстве, мы, вероятно, сможем время от времени еще пополнять наши запасы массы и энергии, заправляясь на лету за счет встречающихся по дороге планет. На пути осуществления этих планов пока стоит одно принципиальное препятствие: мы не умеем осуществлять цепную реакцию 4p – He4. Теперь вы видите, какая это важная проблема. Нам нужно удвоить свои усилия для ее решения. Время не терпит: Земля провела у Солнца уже две трети отпущенного ей срока.

Уверяю вас: в космосе нам будет отлично. Возможно, нам так понравится, что мы даже не захотим прилепиться к новой звезде.

Напечатано в журнале «Physics Today», 15, №7 (1962).

Д. Фроман – до 1962 г. занимал должность технического директора Лосаламосской лаборатории.