Физика в 20 столетии. 1977. (Вайскопф В.Ф.)

Вайскопф Виктор Фредерик.

Физика в двадцатом столетии.

КВАНТОВАЯ ЛЕСТНИЦА*

Квантовая физика очень сильно отличается от классической физики. В чем это различие?

Я хотел бы ответить следующим образом: до того как мы стали пользоваться квантовой теорией, наше понимание природы совершенно не соответствовало одному из ее наиболее очевидных свойств, а именно: точности и определенности свойств вещей. Пар всегда есть пар, где бы вы его ни обнаружили. Скала всегда есть скала. А воздух — всегда воздух. Это качество материи, заключающееся в том” что она обладает определенными свойствами, представляется мне одним из наиболее замечательных моментов в окружающей природе. В классической физике этому нет объяснения. В классической физике все свойства непрерывны.

Какой смысл мы вкладываем в слово “непрерывны”?

Не существует двух классических систем, которые были бы действительно одинаковы. Возьмем, например, планетарные системы звезд; мы все знаем, что их—миллиарды. Согласно нашим современным знаниям, можно утверждать, что не найдется и двух из них, совершенно одинаковых. В одной из них солнце будет немного больше, в другой немного больше будут планеты, будут несколько различными и их орбиты. Почему?... В классической физике имеется неограниченное число вариантов. Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать непрерывный ряд значений.

В квантовой же теории положение в корне меняется потому, что” объекты квантованы. Теперь уже возможны не “любые” орбиты, а только определенные, и все орбиты определенного типа одинаковы. Таким образом, в квантовой теории имеет смысл утверждать, что два атома железа “в точности” похожи, поскольку их орбиты квантованы Например, атомы железа в Соединенных Штатах и Советском Союзе абсолютно одинаковы. Квантовая теория принесла в физику идею тождественности.

Может поразить употребление выражения “в точности”; ведь для многих людей именно некоторая неточность и характеризует. квантовую физику. Они помнят о соотношении неопределенностей.

Я старый противник такого толкования соотношения неопределенностей. Квантовая теория привнесла именно точность.

Классический подход греков был, видимо, основан на правильной интуиции. Греки видели в природе дискретность.

* Переработанное автором интервью “Размышления с Виктором Вайскопфом” из журнала “Intern. Sci. Technol ”, 1963, v. 62.

46

Да, но греки постулировали существование атомов, они не объясняли их. Исходя из классической физики, нельзя понять, почему можно иметь механическую систему одного типа и механическую систему другого типа и нельзя иметь никакой промежуточной механической системы.

Таким образом, атомы, существование которых было для греков аксиомой, в течение девятнадцати веков оставались необъяснимой гипотезой. Были эксперименты по взвешиванию атомов, была кинетическая теория газов, а природа атомов оставалась при этом непонятой.

Их существование оставалось аксиомой до 1913 г. Если смотреть несколько глубже, то неизбежно столкновение с подобной проблемой. Вы упомянули о теории газов. Непосредственно перед созданием квантовой теории люди правильно рассматривали газы как сталкивающиеся атомы. Почему же эти столкновения не вызывают изменения самих атомов? Атомы должны иметь какое-то строение, некоторый механизм внутри, и столкновения должны приводить к некоторому их изменению. Однако этого не происходит. Устойчивость атома это нечто такое, чего нельзя понять, оставаясь на позициях классической теории.

Ставился ли вообще подобным образом вопрос до 1913 г.? Да, конечно,в известном парадоксе Больцмана: согласно классической механике, мы предполагаем, что в системе атомов, находящейся в тепловом равновесии при данной температуре, тепловая энергия должна быть равномерно распределена среди всех возможных видов движения. В куске нагретого вещества электроны должны вращаться быстрее, протоны внутри ядер должны колебаться более энергично, составные части протонов должны сильней колебаться в пределах своих границ и т. д. Таким образом, удельная теплоемкость любого простого куска вещества должна быть чрезвычайно велика. В действительности же удельная теплоемкость имеет именно такое значение, которое можно получить, рассматривая только внешнее движение атомов. Было непонятно, почему тепловая энергия не проникает внутрь атома и не возбуждает его внутренние степени свободы. Парадокс Больцмана был сформулирован в 1890 г., задолго до создания квантовой теории. Но объяснения ему не было.

Значит, уже было некоторое развитие идеи об атоме, который греки считали неделимым? Догадывались ли физики в XIX в. о том, что атом имеет внутреннюю структуру?

Да. Атом испускает свет, и после открытия электромагнитной природы света стало ясно, что внутри атома должно происходить движение, в результате которого испускается свет; таким образом, должна существовать и внутренняя структура. В этом был также и определенный философский смысл, а именно: представление о воображаемом атоме, не имеющем внутренней структуры, не правдоподобно. Можно было спросить: “А что внутри?” — и, например, на ответ: “Атом твердый”, — возразить, что и твердые тела имеют структуру.

47

Таким образом, остается открытым вопрос о том, что произойдет, если рассечь атом.

По-моему, квантовая теория впервые указала, как следует решать подобные задачи. Квантовая теория говорит, что атом неделим, если энергия, передаваемая ему, лежит ниже некоторого порога. Значит, если сталкиваются атомы с энергиями, меньшими пороговой, то они разлетаются без какого-либо изменения, в точно таком же состоянии, в каком они находились раньше. Это уже новая, квантовомеханическая, идея.

Однако при энергии, превышающей пороговую, атомы разваливаются на части и ведут себя как обычные классические системы, состоящие из разных частей. Например, при очень высокой температуре атом полностью разложен на составляющие его части — ядро и электроны. Рассмотрим атомы натрия и неона. Первый из них имеет 11 электронов, а второй 10. При энергии, меньшей пороговой, они находятся в характерных для них сильно различающихся квантовых состояниях. Один из них — металл, а другой — газ. При энергии, превышающей пороговую, при высокой температуре оба они представляют собой газ из ядер и электронов. Это то, что называют плазмой. В этом состоянии уже нет большой разницы между натриевой плазмой и неоном.

Поскольку существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, то сушествуют уровни энергии, выше которых будут разрушаться и ядра.

Совершенно справедливо, существует порог энергии, выше которого ядро разлетается на части. Этот порог значительно выше атомного. Атомные пороги имеют значения порядка нескольких электронвольт; ядерные пороги — несколько миллионов электронвольт. Для обозначения такой разницы я хочу воспользоваться-термином квантовая лестница. Это две ступени лестницы.

Квантовая лестница позволила шаг за шагом раскрыть строение окружающего нас мира. Когда мы исследуем явления при энергии, характерной для атомов, нас не должна волновать внутренняя структура их ядер. Когда же мы изучаем поведение газов при нормальных температурах и давлении, нам не нужно учитывать подробности внутреннего строения атомов, из которых состоит газ. Таким образом, квантовая механика решает парадокс Больцмана. Более тонкая структура вещества не участвует в энергообмене до тех пор, пока средняя энергия не достигнет соответствующей ступеньки лестницы.

Вся наша практика в повседневной жизни занимает место в нижней части Вашей лестницы, в пределах атомного уровня.

Да. В этом месте и даже ниже (рис. 1). Я начал с атома, но имеется еще ряд ступенек вниз по квантовой лестнице, очень важных для нашей жизни. Молекулы, макромолекулы, кристаллы. Все живое состоит из макромолекул. Чем ниже вы спускаетесь по квантовой лестнице, тем более ярко выраженной становится специфичность структур:ядро—атом—молекула—макромолекула—жизнь.

48

Каким же образом возникают эти специфические структуры? По-видимому, это основной вопрос.

Существование кванта является важнейшей предпосылкой, обусловливающей наличие структур в природе. Частицы объединяются в определенные группы, мы имеем квантовые орбиты в ядрах, квантовые орбиты в атомах, квантовые орбиты в молекулах и квантовые орбиты в макромолекулах. Наши наследственные признаки есть не что иное, как квантовые состояния отдельных частей цепи ДНК. Появление каждую весну цветов определенной формы в некотором смысле косвенно подтверждает существование определенных квантовых орбит в молекуле ДНК — следствие идентичности и единственности квантовых орбит.

Произвольны ли расстояния между ступеньками квантовой лестницы, или они обусловлены какой-то глубокой причиной?

О, да, имеется очень веская причина. Она заключена в соотношении размер —энергия: чем меньше размер системы и чем больше масса движущихся в ней частиц” тем больше квантовая энергия.

Например, не случайно квантовая энергия внешней электронной оболочки атома составляет всего несколько электронвольт, в то время как квантовая энергия ядерной системы составляет несколько миллионов электронвольт. Это связано с тем, что ее размеры меньше, а масса больше.

Но должна быть какая-то закономерность в том, что атомы и ядра имеют такие размеры.

Да, причиной существования электронной оболочки является электрическое притяжение между ядром и электронами, а причиной существования ядра как целого является наличие ядерных сил между нуклонами, т. е. протонами и нейтронами.

До 1930 г. считали, что в природе существуют два типа сил — электрические и гравитационные. Мы очень хорошо знакомы с ними на макроскопическом уровне. В 1913г. Бор установил, что химические силы — силы, действующие внутри атомов и между ними— являются электрическими. Только в 1930 г., когда впервые начал” исследовать внутреннюю структуру ядра, узнали о новых силах — ядерных. Именно эти силы удерживают вместе протоны и нейтроны, когда они образуют атомное ядро.

Таким образом, я полагаю, что ответ на вопрос заключается в существовании двух этих типов силовых полей. Почему именно этих силовых полей? Это еще неразрешенный вопрос, и ответ на него, по-

49

физике высоких энергии.

Исследования по физике высоких энергий? Разве есть ступенькана квантовой лестнице выше, чем ядерный уровень)

Да, есть. Последние эксперименты на больших ускорителях показали, что протоны и нейтроны также имеют внутреннюю структуру. Эти частицы могут переходить в различные состояния, они могут поглощать энергию; короче, был открыт мир внутри протона. Это и есть следующая, более высокая ступень лестницы.

Каков энергетический порог этой ступени?

Эту ступень можно достичь, только перейдя в диапазон энергий, превышающих энергию в центре звезд. Мы не знаем, где во Вселенной проявляется такая энергия... Пожалуй, её обнаруживают в космическом излучении, и то в очень редких случаях. Мы наблюдаем такую энергию на мишенях больших ускорителей и, может быть, в центре Галактики. Точно не знаем.

С помощью 30-гигаэлектронвольтных ускорителей физики прорвались на новый высочайший уровень энергии. Немедленным результатом было открытие 80 или 40 частиц. Кажется, что новые ускорители создают больше неразберихи, чем чего-нибудь еще.

Я не разделяю такого мнения. Утверждение, что в физике высоких энергий обнаружено 30 или 40 частиц, создало ей дурную славу. Но эта репутация несправедлива по нескольким причинам. Во-первых, каждый рассматривает античастицы как особые частицы, а это аналогично тому, что вы удваивали бы число видов животных, рассматривая зеркальное отображение животного как другой вид. Более того. Я считаю неправильным называть возбужденное состояние системы новой системой. Нельзя считать возбужденный атом водорода другим атомом. Становится все ясней, что эти новые частицы не что "иное, как возбужденные состояния других частиц.

Какие частицы язляются основными, и какие—возбужденными состояниями?

Например, ? -частица, ?-частица, ?-частица являются возбужденными состояниями протона. Я отважился бы сказать, что существуют только две элементарные частицы — барион и лептон, и эти частицы имеют различные конфигурации, могут находиться в различных состояниях, как атомы водорода. Протон и нейтрон являются двумя состояниями бариона, аналогично двум состояниям электрона — со спином вверх и вниз — в атоме водорода, находящемся в основном состоянии. ?, ? ? ? ?вляются возбужденными состояниями. Систематика всех этих состояний представляет собой то, что я люблю называть третьей спектроскопией. Мы имеем атомную спектроскопию (квантовые уровни атома), ядерную спектроскопию (квантовые уровни ядра), а теперь имеем третью спектроскопию, которую составляют квантовые уровни нуклона.

Лептэны также бывают нескольких видов: электроны, нейтрино и тяжелыа электроны (иногда называемые ?-мезонами).

50

Какие места в нарисованной картине занимают ?-мезоны K-мезоны? Являются ли они также частицами?

Я бы, пожалуй, не назвал их частицами. Они — кванты поля. Как световой квант является квантом электромагнитного поля, таки ?-??зон, К-мезон и многие другие мезоны являются квантами ядерного поля.

Что это за поле?

Поля — это способы выражения действия сил между частицами. Притяжение между двумя электрическими зарядами может быть. также описано как действие поля одного из них на поле другого заряда. Но поле — это не только математическая выдумка, оно так же реально, как источник частиц, и можно говорить о его энергии и т. д.

Далее, каждое поле имеет квант. Когда поле распространяется в пространстве, испускается в виде излучения, оно распространяется в виде квантов. Самым известным квантом поля является фотон — квант электромагнитного поля.

Оказывается, что в случае ядерного поля требуется несколько квантов: ?-мезон и другие мезоны. Все они играют важную роль. Так, ?-мезон ответствен за внешнее действие ядерного поля, другие же мезоны обусловливают силы, действующие на более близких расстояниях.

Не беспокоит ли физиков, что у этого поля много квантов?

Да, беспокоит, но не в такой степени, как это может показаться. Это поле в некотором смысле более сложное. Кулоновское поле уменьшается обратно пропорционально расстоянию, а именно как 1/r; вы видите, что ядерное поле более сложное, поэтому не удивительно, что в этом случае требуется много квантов. Усложнение выражается и в том, что кванты характеризуются изотопическим спином и еще одним квантовым числом, которое называется гиперзарядом, или странностью.

Значит, при этом физики вынуждены также вводить и новые квантовые числа?

Да. Эти квантовые числа играют важную роль в третьей спектроскопии. Возбужденные состояния бариона можно классифицировать с помощью новых квантовых чисел.

Но основная идея точно такая же, как и при описании спектра возбужденных состояний любого атома, водорода к примеру. Основным состоянием является, конечно, протон или нейтрон (нейтрон имеет несколько большую энергию). Далее, имеется несколько возбужденных состояний — названия, данные им первоначально, не имеют теперь особого смысла, и мы различаем их по квантовым числам.

Кажется, имеется любопытная историческая параллель. Как на заре развития оптической спектроскопии спектральные линии получали названия по мере их появления, так и названия ядерных частиц появлялись по мере их экспериментального открытия.

51

Совершенно верно... Есть возбужденные состояния, которые имеют разное квантовое число — странность. И они имеют названия — лямбда, например. Но они получили названия только потому, что, обладая разной странностью, являются метастабильньми и существуют достаточно долго, так что их можно наблюдать, как другие частицы. Здесь имеется аналогия с метастабильньми атомными состояниями.

На ускорителях в ЦЕРНе и Брукхейвене достигли очень высокой энергии при интенсивности, которая, по-видимому, не реализуется во Вселенной иным способом. При проведении физических исследований в области, недостижимой в природе, к чему стремятся физики?

Я глубоко убежден, что в природе существует такое разнообразие, что любой процесс, который обнаружим на Земле, играет важную роль где-то еще. Вот почему я считаю, что эксперименты, которые мы проводим на этих высших ступеньках квантовой лестницы,

будут иметь значение при решении одной из нерешенных проблем, таких, как проблемы расширения Вселенной, возникновения материи и фундаментального строения вещества. Возможно, эти эксперименты связаны и с вопросом образования Вселенной.

Может быть, мы сейчас экспериментируем в условиях, которые 20 миллиардов лет назад...

Это дело вкуса. Как вы знаете, существуют две точки зрения, которые я хотел бы назвать двумя “религиями”. Одна из них — теория большого взрыва, согласно которой Вселенная начала развиваться миллиарды лет назад при громадных давленнях и энергии, сосредоточенных в небольшом объеме; другая —теория непрерывного развития. Я уверен, что правильного ответа на вопрос об образовании Вселенной не дает ни одна теория. Но справедливо полагать, что если большой взрыв имел какое-то отношение к действительности, то некоторые из его ранних фаз могли произойти на самой последней ступени квантовой лестницы.

Слово “религия” употребляется, чтобы подчеркнуть разницу между теми частями физики, которые основываются на физических экспериментах, и теми, которые экстраполируются на условия, не поддающиеся никаким образом воспроизведению?

Совершенно правильно. Эти части необходимо четко различать. Правда, я все же считаю, что эти гипотезы необычайно увлекательны. Когда-нибудь, после того как мы больше узнаем обо всех этих вещах, может быть, они и станут настоящей физикой.

Действительно ли путь прогресса ведет нас неизбежно в область все более и более высоких уровней энергии, или у квантовой лестницы. есть последняя верхняя ступенька?

Последняя квантовая ступенька? Я не могу ответить. У физиков всегда существовала большая мечта, может быть только мечта, что на следующей ступеньке квантовой лестницы будет открыт всеобщий закон. Так думал Гейзенберг. Каждый физик немножко верит, что когда-нибудь мы придем к открытию некоторых фундаментальных фактов, исходя из которых сможем объяснить все. Я не очень

52

уверен в этом. Возможно, природа неисчерпаема. Но, может быть, это и не так.

Значит, последняя ступенька могла бы существовать, если бы мы знали, что произойдет при достижении в 100 раз более высокой энергии, чем сейчас?

Да. Но чтобы достичь такого положения, нам нужен Гейзенберг или Бор будущего, который создаст теорию, объясняющую все явления в знакомых нам терминах. До тех пор, пока не будет такой теории, мы никогда не будем гарантировать, что не будет открыт новый мир. Мы хотели бы создать ускорители на более высокие энергии, чтобы обнаружить его.

Выше говорилось, что атомы с философской точки зрения неубедительны, поскольку всегда можно спросить, что находится внутри них. Если физика не является неисчерпаемой, то в какой-то момент действительно найдут элементарные, неделимые частицы.

Я не назвал бы их элементарными частицами, это может быть что-нибудь еще. Поле, или даже какой-нибудь новый объект, который так же далек от поля, как поле от частицы, следовательно, что-то новое, но охватывающее все. Что это будет, мы не знаем -.-мы находимся только в начале пути.

Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М.,1977., С. 46-53.

Источник:
Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М.,1977., С. 46-53.