Шаги за горизонт - Гейзенберг Вернер Карл - Страница 43

Понятие «деление» под напором экспериментальных данных утратило свой смысл.

Это новое положение вещей снова и снова подтверждалось в ходе экспериментов 50-х и 60-х годов; было открыто много новых частиц, короткоживущих и долгоживущих, и на вопрос, из чего они состоят, уже нельзя было дать определенного ответа, потому что сам вопрос тем временем утратил смысл. Протон, например, может состоять из нейтрона и пиона, или из Х-гиперона и каона, или из двух нуклонов и одного антинуклона; всего проще было бы сказать, что протон состоит из материального континуума. Все эти высказывания одинаково истинны или одинаково ложны. Различие между элементарными и сложными частицами в принципе исчезло. В этом, пожалуй, важнейшее экспериментальное достижение последних 15 лет.

В ходе этих событий эксперименты все отчетливее подводили к одной важной аналогии: элементарные частицы есть нечто подобное стационарным состояниям атома или молекулы. Существует целый спектр частиц, подобно тому как существует спектр состояний, например атома железа или молекул; тут можно вспомнить о различных стационарных состояниях молекулы или о множестве различных химических молекул. В случае частиц можно говорить о спектре материи. Эксперименты на больших ускорителях в 60-е и 70-е годы показали, что эта аналогия распространяется на все известные нам до сих пор факты. Характеристикой как для стационарных состояний атомов, так и для частиц могут служить квантовые числа, то есть свойства симметрии и правила преобразования; возможность же превращений определяется соответствующими им — точными или приближенными — законами сохранения. Скажем, подобно тому, как преобразовательные свойства возбужденного атома водорода при пространственном вращении определяют, может ли он, испустив световой квант, перейти в более низкое состояние, аналогичные свойства симметрии определяют, может ли, например, φ-бозон, излучив один пион, превратиться в ρ-бозон. Как у стационарных состояний атома, так и у частиц продолжительность жизни очень различна. Основное состояние атома стабильно, он имеет бесконечную продолжительность жизни, и то же справедливо в отношении таких частиц, как электрон, протон, дейтрон (Deuteron) и т. д. Эти стабильные частицы, однако, ничуть не более элементарны, чем нестабильные. Основное состояние атома водорода вытекает из того же уравнения Шрёдингера, из которого вытекают и возбужденные состояния. Электрон и световой квант тоже ничуть не элементарнее, чем, допустим, λ-гиперон.

Можно сказать, что экспериментальная физика частиц в ходе своего развития за последние годы выполняла те же функции, что спектроскопия в начале 20-х годов. Как тогда возникло большое собрание таблиц, так называемый справочник Пашен — Гётце, отражавший стационарные состояния всех атомных оболочек, так теперь существуют ежегодно уточняемые «Reviews of Particle Properties», где регистрируются стационарные состояния материи и их преобразовательные свойства. Работа по составлению столь объемных таблиц примерно соответствует так называемому прощупыванию неба у астрономов; и каждый наблюдатель, естественно, надеется, что он в своей сфере однажды найдет какой-нибудь очень интересный объект.

Но существуют и характерные различия между физикой атомной оболочки и физикой элементарных частиц. В атомной оболочке мы имеем дело со столь низкими энергиями, что можно пренебречь характерными чертами теории относительности и воспользоваться для описания нерелятивистской квантовой механикой. Это означает, что в физике оболочки, с одной стороны, и в физике частиц — с другой, определяющие группы симметрии могут быть различными. Галилеева группа в физике оболочки заменяется в физике частиц Лоренцовой группой; к ней в физике частиц прибавляются такие новые группы, как изоспиновая группа, которая изоморфна группе SU₂, затем группа SU₃, калибровочная группа и др. Выявление фундаментальных групп физики частиц — важная экспериментальная задача, и за прошедшее двадцатилетие она в значительной мере уже решена.

Физика атомных оболочек говорит нам, что именно среди групп, описывающих, по-видимому, лишь приближенные симметрии, различаются два принципиально несхожих типа. Возьмем, например, такие группы оптических спектров, как группу О_з пространственных вращений и группу О₃ X О₃, которая определяет мультиплетную структуру в спектрах. Основные уравнения квантовой механики строго инвариантны по отношению к группе пространственного вращения. Поэтому стационарные состояния атомов с высокими моментами импульса сильно вырождены, то есть имеется много состояний совершенно одинакового энергетического уровня. Лишь при помещении атома во внешнее электромагнитное поле стационарные состояния расщепляются и возникает известная, например, по эффекту Зеемана или Штарка тонкая структура. Это выражение может и не иметь места, если основное состояние системы не инвариантно при вращении, каковы, например, основные состояния кристалла или ферромагнита. В таком случае происходит расщепление энергетических уровней; два направления спина электрона в ферромагните уже не относятся в точности к одному и тому же энергетическому уровню. Кроме того, согласно известной теореме Голдстоуна, существуют бозоны, энергия которых при возрастании длины волны стремится к нулю; в случае ферромагнита им соответствуют спин-волны Блоха, или магноны.

Иное положение с группой О₃ Х О₃, из которой следуют известные мультиплеты оптического спектра. Тут имеет место приблизительная симметрия, возникающая благодаря тому, что в определенной области спин-орбитальные взаимодействия незначительны, и поэтому можно перевернуть относительно друг друга спины и орбиты электронов, мало что изменив в их взаимодействии. Симметрия О₃ Х О₃ есть поэтому следствие динамики системы, и ею можно приближенно пользоваться лишь в определенных частях спектра. Эмпирически два этих типа нарушения симметрии всего отчетливее различимы следующим образом: в фундаментальных симметриях, нарушенных основным состоянием, по теореме Голдстоуна, должны существовать бозоны с нулевой массой покоя, или дальнодействующие силы, и их обнаружение дает повод считать, что в данном случае вырождение основного состояния играет важную роль.

Если перенести эти наблюдения из физики атомных оболочек в физику частиц, то эксперименты дают хорошее основание интерпретировать Лоренцову группу и группу SU₂, то есть изоспиновую группу, в качестве фундаментальных симметрии основополагающего закона природы. В таком случае электромагнетизм и гравитация оказываются дальнодействующими силами, зависящими от нарушения симметрии основного состояния. Более высокие группы SU₃, SU₄, SU₆ или SU₂ X SU₂, SU₃ X SU₃ и т. д. придется тогда считать динамическими симметриями, подобно группе О₃ Х О₃ в физике оболочки. Относительно расширенной, или калибровочной, группы допустимо сомневаться, следует ли причислить ее к числу фундаментальных симметрии; она нарушается существованием частиц с конечной массой и зависимостью гравитации от массы вещества во вселенной. Пожалуй, ее следует все-таки причислить к фундаментальным симметриям ввиду ее тесной связи с Лоренцовой группой. Намеченное выше разделение нарушения симметрии на два основных типа напрашивается, как я уже сказал, из экспериментальных данных, хотя пока, может быть, и рано говорить об окончательной фиксации этого разделения. Важно, главное, то, что группы симметрии, встречающиеся при наблюдении спектров, заставляют поднять и по возможности решить вопрос о том, к какому из двух основных типов они принадлежат.

Укажем еще на одну особенность физики атомных оболочек: в оптических спектрах существуют некомбинирующиеся или, вернее, слабо комбинирующиеся системы термов, как, например, спектр парагелия и ортогелия. В физике частиц с этой особенностью нужно, наверное, сравнивать распадение спектра фермионов на барионы и лептоны.