Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| магнитный момент электрона
— это его неотъемлемая характе- ристика, которую мы можем вычислить с высочайшей точностью при помощи квантовой теории поля, в которой сочетаются кван- товая механика и специальная теория относительности и которая служит инструментом для изучения физических свойств элемен- тарных частиц. Мой коллега по Гарварду Джеральд Гэбриелз из- мерил магнитный момент электрона с точностью до 13 значащих цифр, и он согласуется с прогнозом примерно в такой же степени. Уровень погрешности здесь составляет менее одной триллионной, что делает магнитный момент электрона физической константой, для которой теоретический прогноз и результат измерений согла- суются лучше всего. Никто, кроме физиков, не способен с такой точностью про- гнозировать явления окружающего мира. Большинство людей 268 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ при виде такой точности сказали бы, что и теория, и предсказан- ные ею явления известны абсолютно точно. Ученые же считают, что измерения и наблюдения, какими бы точными они ни были, всегда оставляют место для неожиданных открытий и новых идей. Однако они всегда могут определить конкретный предел для масштаба этих новых явлений. Новые гипотезы могут из- менять предсказания, но лишь на уровне неопределенности се- годняшних измерений или на еще более тонком уровне. Иногда предсказанные новые эффекты так слабы, что мы не надеемся до- браться до них даже за время жизни Вселенной; в подобных слу- чаях даже ученые способны делать определенные заявления типа: «Этого не произойдет никогда». Очевидно, измерения Гэбриелза свидетельствуют о том, что квантовая теория поля верна с очень высокой степенью точно- сти. Но даже в этом случае мы не можем гарантировать, что не су- ществует ничего, кроме квантовой теории поля, физики элемен- тарных частиц или Стандартной модели. Как объяснялось в главе 1, под видимой сегодня картиной могут скрываться новые факты, дей- ствие которых проявляется только на следующих энергетических уровнях или при еще более точных измерениях. Поскольку нам не удалось пока экспериментально исследовать соответствующие диапазоны расстояний и энергий, ответа на этот вопрос у нас нет. Эксперименты на БАКе проходят при более высоких энергиях, чем все, что нам удавалось получить до сих пор, и потому откры- вают для нас новые возможности — возможности открытия новых частиц или взаимодействий непосредственно, путем наблюде- ний, а не через косвенные эффекты, которые можно зарегистри- ровать лишь при самых точных измерениях. По всей видимости, измерения на БАКе не достигнут энергий достаточно высоких, чтобы на них проявились отклонения от квантовой теории поля. Но не исключено, что они помогут обнаружить другие явления, которые могли бы предсказать отклонения от прогнозов Стандарт- ной модели; не исключено, что это коснется даже точно измерен- ного магнитного момента электрона. Для любой физической модели, более фундаментальной, чем Стандартная модель, даже самое мелкое предсказанное откло- ИЗМЕРЕНИЕ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ 269 нение — где внутренний механизм невиданной до сих пор теории даст видимый эффект — стало бы ценнейшим указанием на фун- даментальную природу реальности. Отсутствие до сих пор подоб- ных несоответствий говорит об уровне точности существующей теории и о том, насколько высокие энергии надо задействовать, чтобы обнаружить что-нибудь новое, даже не зная в точности при- роды потенциально новых явлений. Но настоящий урок эффективной теории заключается в том, что мы по-настоящему приходим к пониманию и объекта иссле- дования, и связанных с этим ограничений только тогда, когда до- ходим до предела ее применимости. Эффективные теории, учиты- вающие существующие ограничения, не только классифицируют наши идеи на данном масштабе, но и говорят, при помощи каких последовательных методов можно определить, насколько серьез- ными могут оказаться новые эффекты при каждом конкретном значении энергии. Измерения электромагнитного и слабого взаимодействий со- гласуются с предсказаниями Стандартной модели на уровне 0,1%. Частота столкновений частиц, их массы, скорости распада и дру- гие характеристики совпадают с предсказанными величинами именно на этом уровне точности и сходимости. Таким образом, Стандартная модель оставляет место для новых открытий; новые физические теории, возможно, предскажут отклонения от нее, но эти отклонения должны быть достаточно слабыми, посколь- ку они оставались незамеченными до сих пор. Эффект от любого нового явления или фундаментальной теории должен оказаться слишком слабым, чтобы до сих пор его никто не заметил, — либо потому, что сами взаимодействия очень слабы, либо потому, что эффекты эти связаны со слишком тяжелыми частицами, ко- торые не удается получить при достигнутых до сих пор энерги- ях. Существующие измерения демонстрируют, насколько высо- кие энергии нужны для непосредственного обнаружения новых частиц или новых взаимодействий, не способных вызвать более серьезных отклонений, чем позволяют текущие неопределенно- сти. Они говорят нам также о том, насколько редкими должны быть подобные события. Существенно повышая точность изме- 270 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ рений или проводя опыты в других физических условиях, экспе- риментаторы ищут отклонения от модели, при помощи которой до сих пор описываются все экспериментальные результаты фи- зики элементарных частиц. Нынешние эксперименты основаны на представлении, что но- вые идеи строятся на базе успешной эффективной теории, приме- нимой на более низком уровне энергий. Их цель — открыть новое вещество или новые взаимодействия, не забывая, что физика со- бирает знания от масштаба к масштабу. Изучая явления при мак- симальных достижимых на БАКе энергиях, мы надеемся отыскать теорию, лежащую в основе всего, что мы до сих пор наблюдали. Даже если мы не сможем воочию увидеть никаких новых явлений, данные БАКа дадут нам ценные и жесткие ограничения на явления и теории, которые могут существовать за пределами Стандартной модели. И если наши теоретические рассуждения верны, новые явления со временем появятся, но на более высоких энергиях, не- жели те, что генерирует сейчас БАК. Подобные открытия выну- дят нас расширить Стандартную модель или включить ее в более полную концепцию. Мы полагаем, что более полная модель будет работать с большей точностью на более широком диапазоне рас- стояний и энергий. Мы не знаем, которая из теорий окажется верной. Мы не зна- ем также, когда будут сделаны новые открытия. Ответы на эти вопросы зависят от того, как на самом деле устроен мир, — а мы этого не знаем, ведь иначе нам не пришлось бы ничего исследо- вать. Но для любой конкретной гипотезы об устройстве миро- здания мы представляем, как вычислить проверяемые следствия и определить, когда примерно их можно будет проверить. В двух следующих главах мы рассмотрим, как проводятся эксперименты на БАКе, а затем в части IV поговорим о том, как физики создают модели и предсказывают, что можно будет увидеть в ходе экспе- римента. |