Современный физический эксперимент и принцип причинности

Характерные особенности современного физического эксперимента^[1] включают в себя, как правило, во-первых, необходимость учета взаимодействия между исследуемым физическим объектом и соответствующим средством исследования (прибором) и, во-вторых, существенное возрастание роли статистических методов обработки в интерпретации экспериментальных данных. Обе эти особенности находятся в тесной связи с эволюцией категории причинности и с тем ее конкретным видом, в котором она выступает в настоящее время в физике. Как было показано ранее^[2], достаточно общее, хотя и не претендующее на пригодность для всех без исключения физических (а тем более естественных вообще) явлений выражение принципа причинности, как и в классической физике, включает в себя два фундаментальных понятия: состояние движения и взаимодействие. Достаточно упомянуть в качестве примера, что в физике элементарных частиц наши представления о наиболее широком классе изучаемых объектов подпадают под категорию так называемых резонансов, т. е. резонансных состояний движения некоторых более фундаментальных объектов, а сама теория этих объектов характеризуется термином «теория сильных взаимодействий».

Наряду с этим такие характерные для классического «идеала» причинности критерии его применимости, как однозначная предсказуемость явлений и абсолютный (т. е. не зависящий от условий движения и взаимодействия) характер описания свойств микрообъектов, для квантовых явлений уже не соблюдаются. Именно с этим обстоятельством и связаны две отмеченные выше методологические особенности физического эксперимента в этой области. И, несмотря на это, два очень важных этапа физического эксперимента — постановка задачи и анализ получаемых данных — теснейшим образом связаны с глубоким убеждением большинства физиков в справедливости принципа причинности, взятого в достаточно общем его виде. Анализ этой связи и является главным содержанием предлагаемой читателю главы.

1. Классификация физических экспериментов и причинность

Само по себе понятие «эксперимент» в физике означает действие, направленное на искусственное создание условий для осуществления того или иного физического явления и для наблюдения этого явления в условиях, по возможности наиболее чистых, т. е. не осложняемых другими физическими явлениями. Но что означает требование определенных условий для реализации физического явления? Нетрудно видеть, что во всех случаях от физика требуется умение «организовать» такие взаимодействия материальных (физических) объектов, которые привели бы к возникновению тех или иных физических процессов, т. е. тех или иных состояний движения физических объектов. Таким образом, само признание возможности постановки физического эксперимента неотделимо от представления о причинной обусловленности физических явлений.

По характеру постановки задачи физические эксперименты могут быть разделены на три основных типа: проверочные, исследовательские, поисковые.

К первому типу относятся опыты, в которых ожидается проверка и уточнение уже исследованных ранее характеристик физических явлений либо количественная проверка соответствующих теоретических моделей.

Для второго типа опытов характерно выяснение тех основных параметров и их взаимосвязей, которые позволяют количественно описать ход явлений и вскрыть их «механизм», т. е. в конечном итоге те физические взаимодействия, которые можно рассматривать в качестве причин, определяющих собой (необязательно однозначным образом) ход явлений. Разумеется, роль адекватной физической аппаратуры и методики при этом очень велика.

Последний тип опытов является в наибольшей степени рассчитанным на удачу. Речь идет об опытах, в которых впервые удается реализовать ранее недоступные условия существования материи — высокие энергии отдельных частиц, очень высокие (или, наоборот, очень низкие) температуры или давления, очень высокие интенсивности физических полей и т. д. Во всех этих случаях исследователем руководит ожидание того, что в новых условиях он получит возможность либо выйти за рамки применимости существующих теорий, либо реализовать условия для проверки теоретических моделей, основанных на экстраполяции уже проверенных на опыте закономерностей. Таковы, например, эксперименты по поиску кварков или магнитных монополей при высоких энергиях взаимодействующих частиц, попытки обнаружения электрического момента нейтрона или гравитационного момента протона, поиски новых фазовых переходов при высоких давлениях и пр.

Какова же роль принципа причинности для экспериментов различного типа? Эксперименты первого и второго типа ставят своей целью достаточно полное познание сути изучаемого явления, того, что принято называть обычно j его «механизмом». Под этим подразумевается познание ‘ «движущих сил», т. е. тех физических взаимодействий, которые и определяют количественным образом весь ход изучаемого явления или процесса^[3].

Является ли такая степень познания явлений обязательной для всех физических исследований? Обратимся к истории физики XX в. Вспомним, как опыты Резерфорда с сотрудниками, изучавшими законы рассеяния альфа- частиц в веществе, привели в конце концов в 1911 г. к формулировке ядерно-планетарной модели атома. В то время такая модель казалась нелепой и даже грубо противоречащей причинным представлениям классической физики, ибо она, казалось бы, с неизбежностью предсказывала падение всех атомных электронов на ядро. И тем не менее факты, полученные с высокой степенью достоверности, оказались действительно упрямой вещью, ибо выражавший их закон углового распределения рассеиваемых частиц однозначно требовал для своего объяснения именно резерфордовской ядерной модели атома, а не томсоновской модели в виде «пудинга с изюмом».

В том же 1911 г. Камерлинг-Оннес совершенно неожиданно натолкнулся на явление сверхпроводимости. Это очень яркий пример поискового эксперимента без четко осознанной идеи. Лишь спустя 20 с лишним лет физики стали изучать важные для понимания этого явления магнитные свойства сверхпроводников, а еще спустя два десятилетия — их тепловые свойства и, в частности, установили существование так называемой энергетической щели (т. е. минимальной порции энергии, которую могут воспринять электроны металла, находящегося в сверхпроводящем состоянии).

В течение почти полувека сведения об этом удивительном явлении не выходили за рамки феноменологических описаний, и лишь в 1957 г. появилась первая почти строгая микроскопическая его теория, основанная на учете квантовой специфики парного взаимодействия электронов проводимости металла с атомами его кристаллической решетки.

Иной характер носили поисковые эксперименты, легшие в основу квантовой электроники. В начале 50-х годов нашего века в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в Москве (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров с сотрудниками), а также в Колумбийском университете в Нью-Йорке (группа Ч. Таунса) начались работы по реализации неравновесных состояний вещества. Такого рода состояния оказались пригодными для возбуждения и усиления особого вида электромагнитного излучения — так называемого индуцированного излучения, отличающегося когерентным характером, узкой пространственной направленностью и высокой степенью монохроматичности. И, несмотря на то что теоретическая основа описания явления — гипотеза об индуцировании атомных переходов электромагнитным полем — была высказана А. Эйнштейном еще в 1917 г., лишь указанные выше эксперименты в очень короткий срок привели к созданию нового, необычайно перспективного для практических применений направления в физике. На последних двух примерах можно убедиться, как много значит для прогресса физических исследований и их практического использования правильное понимание причинной обусловленности изучаемого явления.

2. Анализ экспериментальных данных и принцип причинности

В 1926 г. французский физик Малле обнаружил, что при облучении гамма-лучами некоторые вещества, испускают слабое свечение. Решив, что это сведение ничем не отличается от обычной люминесценции, автор вскоре оставил дальнейшее его изучение.

Лишь в 1934 г. в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в опытах П. А. Черенкова и С. И. Вавилова произошло «второе рождение» этого удивительного явления. В течение трех лет они подробно изучали все его свойства в самых разнообразных условиях — на разных жидкостях, с применением магнитных полей, с нагреванием и т. д. Стало ясно, что ни один из известных механизмов испускания света не в силах даже качественно объяснить особенности нового свечения, носящего теперь имя Вавилова — Черенкова. И лишь в 1937 г. И. Е. Тамм и И. М. Франк показали, что оно связано с особым излучением вторичных электронов, движущихся равномерно и прямолинейно в веществе при одном-единственном условии—скорость этого движения должна превышать фазовую скорость света в данной среде. Несмотря на всю кажущуюся парадоксальность этого утверждения (ведь считалось, что равномерно движущаяся частица излучать никогда не может), именно оно оказалось единственно правильным объяснением природы явления.

Таким образом, успех был обеспечен, с одной стороны, всесторонним изучением свойств явления и зависимости их от условий опыта, а с другой — глубоким пониманием законов взаимодействия заряженных частиц с электромагнитным полем.

В последующие годы черепковское излучение нашло широкое применение в физике частиц высоких энергий, в частности для очень тонкого анализа скоростей полета заряженных частиц, при измерении их масс и т. д.

Другим достаточно ярким примером служит выполненный впервые английским физиком Г. Мозли (в 1913 г.) систематический экспериментальный анализ рентгеновских спектров. Этот анализ с неоспоримой убедительностью доказал, что порядковые номера химических элементов в таблице Менделеева гораздо лучше совпадают с электрическими зарядами их атомных ядер, чем с последовательностью атомных весов. И это открытие сразу внесло ясность во многие трудные вопросы атомной физики, ибо почти все свойства атомных электронов определяются их электрическим (а не гравитационным) взаимодействием с атомным ядром.

Приведенные два примера относятся к явлениям макроскопического масштаба, но они выступают как результат усреднения по большому числу элементарных физических процессов испускания квантов электромагнитного излучения. В ряде случаев, однако, физику приходится иметь дело именно с анализом индивидуальных элементарных событий, зарегистрированных, например, с помощью фотоэмульсии, пузырьковой или искровой камеры. В этих случаях приходится иметь дело с ситуацией, когда одним и тем же начальным условиям эксперимента могут соответствовать (с различной вероятностью) различные конечные состояния участвующих во взаимодействии частиц. Более того, полученная на эксперименте информация иногда не позволяет с полной достоверностью отождествлять конечное состояние. Тогда приходится вводить несколько альтернативных интерпретаций конечного состояния— каждую со своей вероятностью. Подобного рода вероятностная обработка данных усредняется по большому числу событий, исчисляемых нередко многими тысячами. При этом многие промежуточные стадии обработки результатов измерений приходится «поручать» электронно-вычислительным машинам, соответствующим образом формализовав всю программу действий.

Такая обработка данных, как бы она ни противоречила духу классической причинности с ее твердым убеждением в однозначном соответствии причины и следствия, теперь не смущает физиков. Так, например, в самой простой реакции упругого рассеяния двух частиц результат этого процесса может быть выражен через распределение передаваемых ими друг другу четырехмерных импульсов. Конкретный вид этого распределения, точнее, соответствующие физические параметры в данном случае полностью определяются характером взаимодействия и начальным состоянием взаимодействующих частиц.

Итак, принцип причинности является мощным стимулятором прогресса. Означает ли это, что он является единственной методологической основой этого прогресса? Нет, не значит.

Особенно ясным последнее утверждение станет на примере развития современной физики элементарных частиц. Число типов частиц уже довольно давно перевалило за число химических элементов в природе и непрерывно продолжает расти. Можно ли надеяться навести какой-то порядок в этом сложном «хозяйстве»? Опыт последних 10 лет показывает: да, можно, если поглубже проникнуть в законы взаимодействия частиц. Но на этот раз важными оказались не динамические законы, управляющие изменением и превращением частиц, а законы сохранения определенных фундаментальных свойств — квантовых чисел.

Оказалось, что совокупность всего трех таких величин (гиперзаряд, странность и изотопический спин) и присущие им свойства симметрии в состоянии объяснить не только появление очень большого числа возможных резонансных состояний широкого класса элементарных частиц, но и соотношения между их массами, магнитными моментами, амплитудами перехода из одного состояния в другое и многими другими свойствами.

Итак, концепция причинности, которая позволяет исследователю ставить вопрос о физических явлениях как о смене состояний движения и превращениях физических объектов вследствие взаимодействий, дополняется понятиями многообразных симметрий, обобщающих все те свойства окружающего нас мира, которые связаны с относительной устойчивостью физических объектов и сохранением их фундаментальных свойств.

1. См. подробнее: Г. Б. Жданов. Эксперимент и теория в современном естествознании. — «Материалистическая диалектика и методы естественных наук». М., 1968, стр. 107. ↑
2. См. Г. Б. Жданов. Концепция причинности и ее значение в физике. — «Вопросы философии», 1968, № 2, стр. 46. ↑
3. Под физическим явлением понимают обычно совокупность различных, но взаимосвязанных физических процессов. ↑