Текст книги "Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)

Некоторые философские проблемы

В конце статьи Гейзенберг прокомментировал некоторые важные следствия выведенных им неравенств. Напомним, что несколькими годами ранее Нильс Бор в отчаянии предположил, что основные законы физики, в частности закон причинно– следственной связи и законы сохранения импульса и энергии, на атомном уровне выполняются не для отдельных взаимодействий, а в среднем для большого числа частиц. Эксперименты показали, что это предположение было неверным, но Гейзенберг признал, что принцип причинно-следственной связи в квантовой механике действительно выглядит несколько иначе.

Уравнения классической физики позволяют определить изменение состояния системы с течением времени по известным положениям и импульсам всех ее частей в начальный момент времени. Этот принцип изложил французский ученый Пьер– Симон Лаплас в 1814 году применительно ко всей Вселенной:

«Мы должны рассматривать нынешнее состояние Вселенной как результат его предшествующего состояния и как причину состояния, которое воспоследует. Разум, которому в настоящий момент были бы известны все силы, движущие природой, и относительное положение всех существ, ее составляющих, и который был бы достаточно обширным, чтобы подвергнуть все эти данные анализу, подытожил бы в одной и той же формуле движения величайших тел Вселенной и мельчайших атомов: для этого разума ничто не было бы неопределенным, и грядущее, равно как и прошлое, предстали бы перед его глазами».

В то время весь мир считал, что точность любого измерения ограничивается лишь точностью используемых измерительных приборов. Однако Гейзенберг показал, что этот принцип не выполняется для определенных пар величин, называемых канонически сопряженными. Квантовая механика накладывает ограничение на точность, с которой можно одновременно измерить эти величины, независимо от точности применяемых приборов. Гейзенберг писал:

«В жесткой формулировке закона причинности, гласящей: „Если мы точно знаем настоящее, мы можем вычислить будущее", ложной является не вторая часть, а предпосылка. Мы принципиально не можем узнать настоящее во всех деталях».

Эта статья подняла различные философские вопросы. Если, как считал Гейзенберг, физические понятия имеют тот или иной смысл лишь в зависимости от экспериментов, которые можно провести, то существует ли реальный мир, не зависящий от наблюдаемого? С другой стороны, детерминизм классической физики – тот самый разум, о котором писал Лаплас, – по всей видимости, несовместим со свободой воли. Делают ли законы, описанные Гейзенбергом, возможным существование свободы воли? Этими и многими другими вопросами с древности задавались физики и философы.

Копенгагенский дух

В 1929 году был опубликован труд Гейзенберга «Физические принципы квантовой теории», знакомство с которым сразу же стало обязательным для всех изучающих квантовую механику. Во введении ученый писал, что его целью было способствовать распространению «копенгагенского духа квантовой теории», определявшего развитие атомной физики того времени. Гейзенберг выступил на множестве конференций и опубликовал многочисленные статьи о квантовой механике, ее интерпретации и связанных с ней философских вопросах. Автором этой интерпретации был Нильс Бор, и Гейзенберг назвал ее «копенгагенской интерпретацией» квантовой механики. Название прижилось и используется до сих пор. Ниже мы попытаемся изложить его смысл.

Бор представил первую версию своей интерпретации на конференциях, прошедших в итальянском городе Комо и в Брюсселе в сентябре и октябре 1927 года соответственно. Позднее он внес в свои рассуждения уточнения и поправки, однако суть концепции не менялась. Иногда копенгагенскую интерпретацию называют ортодоксальной, так как она занимает доминирующее положение в физике. Существуют альтернативные интерпретации квантовой механики, однако ни одна из них не является простой, согласованной и точно описывающей результаты экспериментов. Возможно, британско-американский ученый Энтони Джеймс Леггетт был прав, предложив название «копенгагенская неинтерпретация», имея в виду, что любая попытка интерпретации квантовой механики с помощью интуитивно понятных терминов обречена на провал. Интуитивно понятные термины основаны на законах классической физики, к которым относятся, в частности, представление о непрерывности пространства и времени, четкое различие между частицей и волной, закон причинно-следственной связи и принцип детерминизма. Если в классической физике свойства предметов не зависят от того, каким образом мы их измеряем, то в квантовой физике все обстоит иначе: существуют величины, которые изменяются дискретно, квантовая частица может вести себя как частица и как волна одновременно, на смену принципу детерминизма приходят квантовые вероятности, определенные пары величин нельзя одновременно измерить с произвольной точностью, результаты экспериментов нельзя трактовать как информацию о независимых свойствах объектов и так далее.

Копенгагенская интерпретация основывается на трех базовых принципах: принципе дополнительности, вероятностной трактовке волновых функций и принципе неопределенности Гейзенберга. Мы уже упоминали о двух последних, поэтому скажем несколько слов о принципе дополнительности. Бор говорил, что классическая теория подтверждается результатами экспериментов, проведенных с помощью измерительных приборов: весов, термометров, вольтметров и др. При изучении материи на атомном уровне классическая теория достигла предела, и для описания явлений в этом масштабе потребовалось применить законы квантовой механики. Бор подчеркнул, что квантовая механика изменила классическую физику, однако ее корректность подтверждается все теми же измерительными приборами. Иными словами, хотя квантовые явления представляют собой нечто принципиально новое, показания приборов по-прежнему трактуются согласно принципам классической физики, так как, по выражению Бора, только классическая физика представляет собой «язык, лишенный двусмысленности». При описании результатов наблюдений в ее терминах можно избежать логических парадоксов, вызванных корпускулярноволновым дуализмом. Понятия частицы и волны, определенные в классической физике, являются взаимоисключающими, однако в квантовой физике без них нельзя обозначить свойства объекта, который ведет себя как частица или как волна в зависимости от проводимого эксперимента. Следовательно, эти понятия дополняют друг друга. Принцип дополнительности действует не только для частиц и волн, но и, например, для положения и скорости квантового объекта.

Эйнштейн в числе прочих физиков не был готов согласиться с этим выводом, и его дискуссии с Бором, посвященные данным вопросам, оказались крайне продуктивными. Эйнштейн описал мысленные эксперименты (то есть возможные логически, но нереализуемые на практике из-за технических ограничений), которые доказывали некорректность интерпретации Бора, однако Бор неизменно опровергал все возражения оппонента. Больше всего проблем вызвал так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, опубликованный в 1935 году. Представьте себе две частицы, которые появились в одной точке и начали движение в противоположных направлениях, например в результате распада какой-либо частицы. Импульсы этих частиц равны и имеют противоположные направления. Если мы измерим положение одной частицы и импульс другой в момент, когда они настолько удалены друг от друга, что какое-либо взаимодействие между ними отсутствует, то сможем одновременно определить обе эти величины для каждой из частиц по отдельности. Следовательно, принцип Бора, согласно которому одновременно измерить эти величины с произвольной точностью нельзя, не выполняется.

В свое время заголовки некоторых газет гласили, что Эйнштейн обрушился с нападками на квантовую теорию, однако журналисты не поняли сути вопроса: речь шла не о корректности квантовой механики как таковой, а о ее интерпре-

Фрагмент письма Гейзенберга к Паули от 23 февраля 1927 года, где изложены основы принципа неопределенности, который является частью копенгагенской интерпретации.

Гейзенберг и Бор (на фотографии внизу) с Максом Борном были основными носителями копенгагенского духа.

тации и связанных с этим философских проблемах. В целом эти вопросы крайне важны с концептуальной точки зрения, однако не интересуют большинство физиков, так как не имеют отношения к исследованиям. Как правило, ученые увлекаются проблемами, позволяющими делать прогнозы, истинность которых либо подтверждается экспериментально, либо следует из непротиворечивости самой теории.

У Бора больше, чем у кого-либо другого, я научился этой новой теоретической физике, которая была едва ли более экспериментальной, чем математика. […] Здесь важно найти нужные слова и понятия, чтобы описать любопытную физическую ситуацию, крайне сложную для понимания.

Гейзенберг в беседах с историком науки Томасом Куном, 1963 год

Эксперимент, проведенный в 1982 году Аленом Аспектом, Жаном Далибаром и Жераром Роже, изменил все. Он подтвердил самые парадоксальные прогнозы квантовой механики, и это заставило некоторых сказать: метафизика стала экспериментальной. Кроме того, был сделан шаг к развитию квантовой информатики, одним из истоков которой можно назвать парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена.

Споры о терминологии

Принцип, соотношение или неравенство? Неопределенность, неточность, недетерминированность? Различные сочетания этих слов обозначают одно и то же, что приводит к путанице. Этой путаницы можно избежать, если использовать наиболее нейтральное словосочетание – неравенства Гейзенберга.

В физике принципом обычно называется фундаментальная гипотеза, как правило, подтвержденная экспериментально, которая служит основой для исследований в той или иной области. В качестве примера можно привести принцип Архимеда, принцип Паскаля и принципы термодинамики. Первые два принципа доказаны уже давно, однако они по-прежнему называются принципами в силу привычки или в знак уважения к их авторам. Гейзенберг не использовал этот термин, так как не постулировал свои результаты, а вывел их, поэтому будет уместнее говорить о теореме или о неравенствах Гейзенберга. Более деликатным является другой вопрос. Слово «неопределенность» подразумевает, что субъект не имеет четких знаний о чем-либо. На этом основании некоторые утверждают, что неравенства Гейзенберга накладывают ограничения на субъективные знания о природе, но не говорят ничего о самой природе. Следующим шагом в этих рассуждениях может стать отрицание любого объективного знания, и некоторые совершают этот шаг без каких-либо затруднений. Однако физики (а вместе с ними – и автор данной книги) вкладывают в это слово совершенно иной смысл.

Гейзенберг использовал слово Ungenauigkeit, что переводится как «неточность». Таким образом, речь идет не о субъекте, а об объекте эксперимента, о результатах измерения – именно так иногда объясняют смысл неравенств Гейзенберга. При измерении некой величины в лаборатории эксперименты повторяются достаточно большое число раз, что позволяет определить точность результата. Неточность имеет отношение к среднеквадратичному отклонению, то есть отклонению наблюдаемых значений от среднего. Слово «неточность» указывает, что неравенства Гейзенберга накладывают ограничения на измерения, которые можно выполнить в лаборатории, но это не так. Любую величину, указанную в неравенствах Гейзенберга, в частности импульс и положение электрона, можно измерить по отдельности с произвольно высокой точностью, по крайней мере теоретически. Смысл неравенств Гейзенберга заключается в том, что эта точность не может быть достигнута при одновременном измерении величин. Но так как волновая функция обозначает плотность вероятности, то можно с точностью определить среднее положение и импульс, которые обычно называют х и р соответственно, а также их среднеквадратичные отклонения Ах и Ар, рассчитываемые как квадратные корни средних значений (х – х)2 и (р-р)2 . Поэтому можно связать смысл этих величин с измерением.

Я считаю, что существование классической «траектории» можно определить следующим образом: «траектория» существует только тогда, когда мы ее наблюдаем.

Гейзенберг в статье о принципах неопределенности, 1927 год

Неравенства Гейзенберга в немецком языке также обозначаются словом Unscharferelation, a Unscharfe – это «нечеткость». Можно также использовать слово «недетерминированность», которое не указывает ни на ограниченность знаний субъекта, ни на сложности с проведением измерений. Неравенства Гейзенберга означают, что постоянная Планка – это универсальная мера недетерминированности, вносимой корпускулярно-волновым дуализмом и возникающей ввиду того, что мы продолжаем использовать классические понятия для описания квантовых явлений.

Глава 4 В защиту теоретической физики

После того как были заложены основы квантовой механики, ученые начали системно применять ее в других областях физики, в частности при изучении химических связей, ферромагнетизма и строения атомных ядер. Наблюдая за тем, как растет влияние нацизма, Гейзенберг использовал весь свой авторитет, который значительно возрос после получения им в 1933 году Нобелевской премии, чтобы помешать нацистским идеологам определять «правильность» научных открытий.

В октябре 1927 года, когда Гейзенбергу не исполнилось и 26 лет, его пригласили занять должность профессора теоретической физики в Лейпцигском университете. Там он проработал 16 лет вплоть до переезда в Берлин. Ученый с этого времени и до конца жизни вел научно-просветительскую работу и рассказывал о квантовой механике и связанных с ней философских вопросах. После того как к власти пришли нацисты, Гейзенберг посвящал большую часть времени сохранению уровня немецкой науки и защите теоретической физики. Эта глава охватывает период протяженностью 12 лет, вплоть до начала Второй мировой войны.

Квантовые пути

Приезд Гейзенберга в Лейпциг ознаменовал начало масштабного обновления физики. Он привлек многих блестящих молодых ученых, желавших следовать новыми путями. Среди докторантов Гейзенберга были Феликс Блох, Рудольф Пайерлс, Эдвард Теллер и Карл Фридрих фон Вайцзеккер, а среди постдокторантов – Эдоардо Амальди, Уго Фано, Юджин Финберг, Лев Ландау, Этторе Майорана, Исидор Айзек Раби, Ласло Тисса, Синъитиро Томонага и Виктор Фредерик Вайскопф. Эти физики известны своими открытиями в различных областях, некоторые из них стали нобелевскими лауреатами.

Гейзенберг поддерживал очень теплые отношения со всеми этими учеными, многие из них были его ровесниками. После напряженной работы они все вместе играли в настольный теннис в подвале университета. По рассказам Пайерлса, Гейзенберг был превосходным игроком и почти всегда одерживал победу. Приезд китайского физика, способного на равных противостоять молодому профессору, вызвал всеобщее оживление. Пока нацисты не запретили все негосударственные молодежные движения, Гейзенберг часто проводил время с группой юных скаутов, посвящал досуг музыке. Каждый день он по нескольку часов играл на пианино в своей квартире, располагавшейся в здании института. Музыка распахнула перед Гейзенбергом двери в культурную жизнь Лейпцига, где вращались юристы, врачи, профессора университетов, редакторы. На одном из музыкальных вечеров в 1937 году он познакомился с Элизабет Шумахер, на которой спустя несколько месяцев женился.

Диссертации Феликса Блоха и Рудольфа Пайерлса ознаменовали начало современной физики твердого тела, основанной на изучении квантовой динамики электронов в периодической решетке положительных ионов. Гейзенберг не публиковал статей в соавторстве со студентами: он ограничивался предложениями, советами и критикой. Ученый внес важный вклад в решение задачи о ферромагнетизме, о которой мы поговорим далее. Существуют материалы, к примеру железо, кобальт и никель, которые становятся постоянными магнитами, если их поместить в магнитное поле или потереть о магнит. Законы электромагнетизма, открытые в XIX веке, позволили понять, что электрический ток может порождать магнитное поле (это свойство используется в электромагнитах), а магнитное поле в движении порождает электрический ток (это свойство используется при выработке электричества на электростанциях). Магнитные свойства материалов обусловлены электрическими токами, вызванными движением электронов, однако до появления квантовой механики физики не могли объяснить магнетизм.

Официальная церемония вручения Гейзенбергу Нобелевской премии по физике прошла 10 декабря 1933 года, однако сама премия была присуждена ему годом ранее.

Вернер Гейзенберг и Элизабет Шумахер поженились 29 апреля 1937 года, меньше чем через три месяца с момента первой встречи.

Участники конференции, прошедшей в копенгагенском Институте теоретической физики в 1930 году.

В первом ряду, слева направо: Клейн, Бор, Гейзенберг, Паули, Гамов и Ландау.

Как было сказано выше, спин электрона связан с его магнитными свойствами: электроны ведут себя подобно крохотным компасам или магнитам, однако в действительности их поведение несколько сложнее, так как речь идет о квантовых объектах. Если у множества электронов вещества спин будет направлен в одну сторону, возникнет общее магнитное поле, то есть вещество намагнитится. Будут ли магнитные свойства вещества постоянными, зависит от взаимодействия между электронами и от структуры материала.

Теперь напомним, как именно Гейзенберг разгадал загадку парагелия и ортогелия. Волновая функция двух электронов антисимметрична, то есть меняет знак, когда электроны или их спины меняются местами. Это гарантирует, что два электрона не будут находиться в одинаковых квантовых состояниях, как того и требует принцип Паули. Гейзенберг показал, что для атома гелия существует два типа волновых функций: в одной из них спиновая часть антисимметрична (для парагелия), в другой – симметрична (для ортогелия). Какое отношение это имеет к магнетизму? Чтобы материал сохранял состояние намагниченности длительное время, все спины электронов должны быть направлены в одну сторону, поэтому спиновая часть волновой функции симметрична: при смене двух любых спинов она будет оставаться неизменной. Следовательно, пространственная часть волновой функции должна быть антисимметричной и при смене положения двух электронов менять знак. Гейзенберг доказал, что в расчетах энергии взаимодействия электронов согласно закону Кулона используется то же выражение, что и при использовании законов классической физики, а также новое выражение, имеющее исключительно квантовую природу и связанное с антисимметричностью волновой функции. В физике это новое выражение называется обменным оператором и играет ключевую роль в изучении магнитных свойств материалов.

С марта по октябрь 1929 года Гейзенберга приглашали выступать на конференциях в университетах США, Индии и Японии. Он воспользовался случаем и посетил Великие озера, национальный парк «Йеллоустоун», Большой каньон, объездил Японию и Китай. Курс, прочитанный Гейзенбергом в Чикагском университете, был издан в виде книги под названием «Физические принципы квантовой теории», о которой мы уже упоминали в предыдущей главе. Эта книга стала самым популярным пособием по квантовой механике и продолжает издаваться до сих пор.

Ядерная физика

Вскоре после открытия атомного ядра Резерфорд выдвинул первые гипотезы о его структуре. Ядро атома водорода образовано протоном – положительно заряженной частицей, масса которой намного больше, чем масса электрона. Резерфорд предположил, что более тяжелые ядра образованы электронами и протонами. В то время считалось, что внутри ядра происходит электромагнитное взаимодействие, и если бы ядро состояло только из протонов, оно распалось бы под действием сил отталкивания. Кроме того, гипотеза Резерфорда позволяла дать самое простое объяснение бета-излучению, которое представляло собой поток электронов, испускаемый радиоактивными ядрами. Физик предположил, что внутри ядра электроны могут образовывать пары с протонами. Разумеется, он говорил не об атоме водорода – его размер в сто тысяч раз больше, чем размер ядра, – а о новой частице, которую назвал нейтроном. Сегодня мы знаем, что гипотеза Резерфорда была ошибочной, однако она лишний раз доказывает, что основой научных открытий часто служат более или менее логичные, но необязательно верные гипотезы.

В марте 1932 года англичанин Джеймс Чедвик с незначительными изменениями повторил эксперимент, проведенный Вальтером Боте и Гербертом Бекером в Берлине и супругами Жолио-Кюри в Париже. При облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц, которые представляют собой ядра атомов гелия, наблюдался пучок нейтральных частиц. Их масса примерно в 1,007 раза превышала массу протона, и эти новые частицы могли выбить протоны из поглотителя – парафина. Это подобно лобовому столкновению бильярдных шаров, когда первый шар останавливается, а второй начинает движение с той скоростью, с которой до этого двигался первый. Чедвик пришел к выводу: наблюдаемая частица была тем самым нейтроном, о котором говорил Резерфорд. Он попытался описать структуру атомного ядра, хотя не вполне четко представлял, как это сделать.

Бор считал, что квантовая теория объясняет явления, происходящие на атомном уровне, но для описания явлений на уровне ядер атомов, то есть на расстояниях примерно в сто тысяч раз меньше, необходима новая теория. Гейзенберг показал, что законы квантовой механики достаточно применить к системе из протонов и нейтронов. Так как положительно заряженные протоны отталкиваются, должна существовать сила, удерживающая протоны и нейтроны внутри ядра. Эта сила должна действовать только на малых расстояниях – в противном случае размер атомного ядра будет намного больше, чем показывали эксперименты. О нейтроне было известно лишь то, что он существует, и велись споры о том, был ли нейтрон особым видом связи протона и электрона или новой элементарной частицей.

Атом водорода имеет изотоп под названием дейтерий, ядро которого состоит из нейтрона и протона. Гейзенберг начал изучать ядро дейтерия под названием дейтрон и заметил его сходство с молекулой ионизированного водорода Щ, состоящей из двух протонов и электрона. Стабильность молекулы была вызвана тем, что два протона обмениваются электроном между собой, а энергия взаимодействия тратится на поддержание стабильности молекулы. Напомним, что Паули не удалось описать эту молекулу в рамках старой квантовой теории. Первым подробный анализ молекулы H*2 с помощью законов квантовой механики провел Эдвард Теллер.

Обозначения ядер атомов

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, число которых обозначается Z и N соответственно. Нейтральный атом содержит то же число электронов Z. Это число называется атомным, или зарядовым числом и определяет химические свойства элементов. Так как масса протона и нейтрона более чем в 1800 раз превышает массу электрона, масса атома в первом приближении равна сумме масс протонов и нейтронов в его ядре. Поэтому массовое число атома определяется как А = Z + N. Изотопы химических элементов отличаются только числом нейтронов (или, что аналогично, массовым числом), однако обладают одинаковыми химическими свойствами. Для обозначения одного и того же изотопа используются различные способы, например символ химического элемента и три описанных выше числа. Изотоп обозначается следующим образом: ^A_ZСИМВОЛ_N . Часто один из индексов не указывается, так как подобная нотация является избыточной. К примеру, обозначения ²³⁸₉₂U₁₄₆ , ²³⁸₉₂U и ²³⁸U соответствуют одному и тому же изотопу урана с массовым числом 238. Иногда для удобства используется обозначение U238 или уран-238. Иногда символ химического элемента не указывается, как, например, в обозначении (A, Z), особенно при записи ядерных реакций.

Молекулу H⁺₂ можно представить как протон и пару протон-электрон, которые постоянно меняются ролями, так как электрон переходит от одного протона к другому. Гейзенберг предположил, что нейтрон и протон в дейтроне должны меняться ролями аналогичным образом. Но как могут меняться ролями две разные частицы? Гейзенберг предложил следующее объяснение: нейтрон и протон представляют собой два квантовых состояния одной и той же частицы, которая в 1941 году получила название нуклон. Эти два состояния различаются электрическим зарядом и небольшой частью массы. Сегодня говорят, что протон и нейтрон различаются изотопическим спином. Эту гипотезу Гейзенберг применил для изучения более тяжелых ядер, и ему удалось показать, что более легкие ядра (до 40 нуклонов) содержат примерно одинаковое число протонов и нейтронов, а более тяжелые ядра должны содержать больше нейтронов, чем протонов, чтобы компенсировать силы отталкивания между протонами.

В конечном итоге Гейзенберг доказал важность обменного оператора для объяснения стабильности различных систем и их свойств.

Квантовая электродинамика

В конце 1920-х годов квантовая механика стала основой изучения атомных явлений, а квантовая и релятивистская динамика электрона в атоме водорода объяснялась с помощью уравнения Дирака, опубликованного в 1928 году. Одним из важных следствий этого уравнения является существование спина электрона. Кроме того, уравнение предсказывает существование позитрона – идентичной электрону частицы с положительным зарядом. Любопытно, что именно уравнение Дирака стало источником вдохновения для всех авторов-фантастов, писавших об антиматерии.

Основной источник информации о том, что происходит внутри атомов, – это электромагнитное излучение, которое испускается или поглощается во время квантовых скачков электронов между стационарными состояниями. Излучения не существует ни до момента его испускания, ни после того, как оно будет поглощено. Для объяснения этого эффекта требовалось установить связь между электронами и светом в рамках квантовой механики. Первый шаг в нужном направлении сделали Паули и Йордан в 1928 году, описав электромагнитные волны с помощью фотонов и проведя так называемую квантификацию электромагнитного поля. Казалось, все было готово для создания квантовой теории поля для электронов, позитронов и света. Однако появилась она лишь через несколько лет, пока не удалось решить некоторые проблемы. Любая заряженная сфера обладает энергией излучения, обратно пропорциональной ее радиусу. Судя по всему, электрон имеет нулевой радиус, поэтому его энергия излучения бесконечно велика. Если же предположить, что радиус электрона отличен от нуля, мы придем к выводу, несовместимому с теорией относительности. Как видите, в любой формулировке возникают бесконечно большие величины, которые делают расчеты невозможными.

Элементарные частицы в 1930-е годы

После открытия нейтрона физики сочли, что материя состоит из четырех элементарных частиц: электрона (e), протона (p), нейтрино (v, читается «ню») и нейтрона (n). Электрон и протон имеют электрический заряд (отрицательный и положительный соответственно), модуль которого называется элементарным зарядом (-1,60 х 10^-19 Кл). Нейтрино и нейтрон, как следует из названий, не имеют заряда. Этим частицам соответствуют античастицы (они обозначаются теми же символами, но с чертой вверху e, p v, n), из которых только одна частица, антиэлектрон, имеет собственное название – позитрон. Свободный нейтрон распадается на следующие частицы: n→p + e + v. Однако в ядре нейтрон стабилен, за исключением случаев присутствия излишнего числа нейтронов. В этом случае вышеописанный процесс соответствует бета-распаду ядер и обозначается так: (A,Z)→(A,Z+l) + e +v.

Загадочный нейтрино

Описанная модель имела один важный недостаток. Ранее бета-распад понимался как процесс, в ходе которого ядро (A, Z) преобразовывалось в новое ядро (A, Z + 1) и испускало электрон. Измерения показали, что начальная энергия была больше энергии, полученной новым ядром и свободным электроном, и это противоречит закону сохранения энергии. Паули предположил, что подобное несоответствие обусловлено существованием особой частицы, нейтрино, которая имеет очень малую массу и почти не взаимодействует с материей. Нейтрино впервые был обнаружен в 1950-е, и хотя его масса до сих пор не определена, известно, что она меньше двух миллиардных долей массы протона. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей: каждую секунду через наше тело проходит примерно 10¹² нейтрино, но мы их совершенно не замечаем. Великое множество этих частиц возникает в результате химических реакций, происходящих внутри Солнца. Сегодня известно, что протоны и нейтроны – это не элементарные частицы. Они состоят из u-кварков и d-кварков (протон p = uud, нейтрон n = udd). Вся материя образована четырьмя частицами – u, d, e, v – и соответствующими античастицами (то есть имеющими противоположный заряд). Существуют еще две группы частиц, подобных частицам первого семейства, но с большей массой. Они проявляются в лабораторных экспериментах и при реакциях с космическими лучами.

Бор по-прежнему настаивал на том, что для описания явлений на уровне элементарных частиц необходима новая теория. Гейзенберг, разделяя эту точку зрения, предположил, что Вселенную можно представить как огромную кристаллическую решетку. Космос – это решетка из крошечных кубических ячеек размером с элементарную частицу. Ячейки представляют собой наименьшую универсальную единицу длины, а на меньших расстояниях современная квантовая теория будет неприменима. Однако эти идеи не вели к каким-либо конкретным результатам, и в 1931 году Гейзенберг написал Бору: «[…] Я отказываюсь рассматривать фундаментальные вопросы, которые для меня слишком сложны». Лишь появление новых результатов, связанных с космическими лучами, заставило Гейзенберга через два года изменить точку зрения.

Британский физик Патрик Блэкетт и итальянец Джузеппе Оккиалини, работавшие в Кембриджском университете, обнаружили, что при улавливании детектором космического луча с очень большой энергией наблюдается поток частиц, по всей видимости, возникающих при столкновении луча с ядрами атомов свинца, которым был покрыт детектор. Вскоре после этого открытия американский ученый Карл Дейвид Андерсон выявил позитрон, существование которого было предсказано уравнением Дирака. При столкновении электрон и позитрон уничтожаются, и рождаются два фотона, которые разлетаются в противоположных направлениях в соответствии с самым знаменитым уравнением физики Е = mc2 .

Верно и обратное: фотон, обладающий достаточно большой энергией, способен породить электрон и позитрон. Согласно закону сохранения импульса, чтобы это произошло, фотон должен столкнуться с ядром атома. Эти открытия вновь пробудили в Гейзенберге интерес к квантовой электродинамике. Он ожидал, что сможет связать свою гипотетическую минимальную единицу длины с длиной волны фотонов, которые присутствуют в потоке частиц, порождаемых космическими лучами. В «дожде частиц» возникают новые частицы, начиная с легчайших – пионов и мюонов. Описание всех этих частиц и античастиц было непростой задачей, ведь следовало учесть все возможные взаимодействия, все возможные процессы и их вероятности. Гейзенберг не мог четко сформулировать квантовую теорию поля (она стала постепенно вырисовываться лишь в 1940-е годы), однако именно он разработал многие основные ее элементы.