Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| The New York Times
Николас Кристоф, ратуя за осто- рожность в обращении с потенциально опасными химическими веществами типа бисфенол-A (BPA) в пище или пищевой упаковке, писал: «Исследования BPA уже несколько десятков лет бьют тре- вогу, а данные до сих пор сложны и неоднозначны. Такова жизнь: в реальном мире законодательные меры, как правило, приходится принимать на основании неоднозначных и спорных данных». Ничто из сказанного не означает, что нам не следует, определяя политический курс, стремиться к количественной оценке затрат и выгод. Однако ясно, что нам нужно четко понимать, что означа- ет каждая оценка, как сильно она может меняться в зависимости от начальных предположений или целей, а также что при расчетах было и что не было принято во внимание. Анализ «затраты — вы- годы» может быть полезен, но может и дать ложное ощущение конкретности, надежности и безопасности, которое зачастую при- водит к опрометчивым решениям. К счастью для нас, физики, как правило, ставят перед собой вопросы попроще, чем те, что приходится решать публичным политикам. Имея дело с чистым знанием, которое в ближайшее время не предполагается использовать на практике, думаешь со- вершенно о другом. Измерения в мире элементарных частиц тоже намного проще, по крайней мере теоретически. Все электроны по природе своей одинаковы. Проводя измерения, приходится ду- мать о статистической и системной погрешности, зато о неодно- родности популяции можно спокойно забыть. Поведение одного электрона дает нам достоверную информацию о поведении всех электронов. Тем не менее представления о статистической и си- стемной погрешности применимы и здесь. Однако даже в «простых» физических системах необходимо за- ранее решить, какая точность нам необходима, ведь идеальных из- мерений не бывает. На практике вопрос сводится к тому, сколько раз экспериментатор должен повторить измерение и насколько прецизионный измерительный прибор при этом использовать. Ре- шение за ним. Приемлемый уровень неопределенности определя- ется задаваемыми вопросами. Разные цели предполагают разные уровни прецизионности и точности. 264 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ К примеру, атомные часы измеряют время с точностью до од- ной десятитриллионной, но такое точное представление о времени мало кому нужно. Исключение — эксперименты по проверке тео- рии гравитации Эйнштейна: в них лишней прецизионности и точ- ности быть не может. До сих пор все тесты показывают, что эта теория работает, но измерения непрерывно совершенствуются. При более высокой точности могут проявиться невиданные до сих пор отклонения, представляющие новые физические эффекты, ко- торые невозможно было заметить в ходе прежних, менее точных экспериментов. Если это произойдет, то замеченные отклонения позволят нам заглянуть в царство новых физических явлений. Если нет, придется сделать вывод о том, что теория Эйнштейна даже точнее, чем было установлено ранее. Мы будем знать, что ее можно уверенно применять в более широком диапазоне энергий и расстояний, к тому же с большей точностью. Если же нам нужно «всего лишь» доставить человека на Луну, то мы, естественно, не обойдемся без знания физических законов, достаточного, чтобы не промахнуться, но привлекать общую тео- рию относительности не обязательно, и уж тем более не требуется принимать во внимание еще более мелкие потенциальные эффек- ты, представляющие возможные отклонения от нее. ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В физике элементарных частиц мы пытаемся найти базовые правила, управляющие самыми мелкими и фундаментальными компонентами вещества, которые мы в состоянии обнаружить. Отдельный эксперимент здесь — это не измерения во множестве происходящих одновременно столкновений или периодически повторяющихся взаимодействий. Наши прогнозы относятся к единичным столкновениям известных частиц при определен- ной энергии. Частицы приходят в точку столкновения, взаимо- действуют, а затем пролетают через детекторы, по пути, как пра- вило, отдавая энергию. Физики, говоря о столкновении частиц, используют конкретные характеристики этих частиц — массу, энергию и заряд. ИЗМЕРЕНИЕ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ 265 В этом отношении, несмотря на техническую сложность на- ших экспериментов, физике элементарных частиц повезло. Си- стемы, которые мы изучаем, должны быть как можно более про- стыми, чтобы можно было выделить в них фундаментальные ком- поненты и законы. Идея в том, чтобы сделать экспериментальные системы настолько чистыми, насколько позволяют имеющиеся ресурсы. Проблема для физиков заключается скорее в том, чтобы достичь требуемых физических параметров, а не в том, чтобы распутать и упростить сложные системы. Эксперименты сложны, потому что науке приходится все дальше отодвигать границы не- познанного. Поэтому они часто проводятся на пределе энергий и расстояний, достижимых при данном уровне развития техно- логий. По правде говоря, эксперименты в физике элементарных ча- стиц вовсе не так просты, как кажется, даже если речь идет об изу- чении точных фундаментальных величин. Представляя получен- ные результаты, ученые непременно сталкиваются с одной из двух проблем. Если они увидели что-то необычное, то должны доказать, что это не может быть результатом какого-то тривиального со- бытия в рамках Стандартной модели. Если они не увидели ничего нового, то, прежде чем заявлять, что этого нового не существует в рамках тех ограничений, которые установлены для исследовате- лей в данный момент, они должны быть полностью уверены в том, что эксперименты проводились при адекватном уровне точности. Физики должны разбираться в чувствительности измерительной аппаратуры достаточно хорошо, чтобы понимать, что можно ис- ключить, а что необходимо учитывать. Чтобы быть уверенными в результате, экспериментаторы должны четко отличать те явления, что могут свидетельствовать о новой физике, от фоновых событий, возникающих в результате взаимодействия известных физических частиц Стандартной моде- ли. Именно поэтому, чтобы сделать открытие, нам нужно увидеть множество столкновений. Из множества столкновений можно вы- брать достаточно событий, представляющих новую физику, чтобы надежно отличить их от «скучных» процессов Стандартной моде- ли, на которые они могут оказаться похожи. 266 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ Таким образом, любой наш эксперимент требует набора до- статочной статистики. Самим измерениям тоже присущи не- определенности, которые делают многократное повторение необходимым. Квантовая механика говорит нам, что базовые события также обладают внутренней неопределенностью. Со- гласно законам квантовой механики, как бы хитроумно мы ни планировали эксперименты, в результате мы сможем полу- чить лишь вероятность взаимодействия. Как бы мы ни прово- дили измерения, эта неопределенность никуда не денется. Это означает, что единственный способ точно измерить силу взаи- модействия — повторить измерение много раз. Иногда эта не- определенность меньше, чем погрешность измерения, и вообще слишком мала, чтобы иметь значение. Но иногда ее необходимо принимать во внимание. Квантово-механическая неопределенность говорит нам, к при- меру, что масса распадающейся частицы неоднозначна по опреде- лению. Исходя из принципа неопределенности ни одно измерение энергии не может быть точным, если оно сделано за конечное вре- мя. Понятно, что время измерения должно быть короче, чем время жизни распадающейся частицы, и это определяет ожидаемые пре- делы вариации измеряемых масс. Так что если экспериментаторы обнаружили бы свидетельства существования новой частицы — те частицы, на которые она распалась, — то измерение ее массы по- требовалось бы провести много раз. Ни одно из этих измерений не было бы точным, но среднее по всем измерениям значение схо- дилось бы к верной величине. Во многих случаях квантово-механическая неопределенность массы меньше, чем систематическая погрешность (неизбежная ошибка) измерительной аппаратуры. Если это так, эксперимента- торы могут просто не обращать внимания на квантово-механиче- скую неопределенность массы. Но и в этом случае необходимо про- вести большое количество измерений, чтобы обеспечить их сходи- мость; причина — в вероятностном характере рассматриваемых взаимодействий. Как и в случае с испытаниями лекарственных средств, для получения верного ответа необходим большой объем статистических данных. ИЗМЕРЕНИЕ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ 267 Важно понять, что вероятности, связанные с квантовой меха- никой, не совсем случайны. Вообще, эти вероятности вычисляют- ся по вполне определенным законам. Мы убедимся в этом в гла- ве 14, когда речь пойдет о массе W-бозона. Нам известна общая форма кривой, описывающей вероятность того, что в результате столкновения родится именно эта частица с заданной массой и за- данным временем жизни. Результаты измерения энергии группи- руются вокруг верной величины, а их распределение согласуется с временем жизни частицы и принципом неопределенности. Хотя ни по одному из измерений в отдельности нельзя определить мас- су, по совокупности множества измерений это сделать можно. Су- ществует вполне определенная процедура, позволяющая вывести массу частицы из среднего результата многократно повторенных измерений. Если измерений достаточно, экспериментаторы могут определить верную массу с определенным уровнем прецизионно- сти (сходимости) и точности (правильности). ИЗМЕРЕНИЯ И БАК Вероятностная природа квантовой механики не подразумевает, что мы, по сути, ничего не знаем. Более того, зачастую все обсто- ит как раз наоборот. Нам известно достаточно много. К примеру, жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|