определение понятие значение информация система структура принцип слово знак |
ГЛАВА 3
(г3) β-распад против законов сохранения
Наконец, рассмотрим историю эксперимента, который чуть ли не стал еще одним «величайшим негативным экспериментом истории науки». Это послужит еще одной иллюстрацией того, как трудно в точности решить, чему учит нас опыт, что он «доказывает» и «опровергает». Нам предстоит внимательно проанализировать «наблюдение» Чедвиком бета-распада (изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа) в 1914 г. Мы увидим, что эксперимент, который вначале рассматривался как обычная головоломка в рамках исследовательской программы, затем был возведен в ранг «решающего эксперимента», но потом опять низведен до обычной головоломки - и все это в зависимости от целостного изменения теоретического и эмпирического ландшафта. Эти изменения ввели в заблуждение многих летописцев, привыкших к определенным историческим стереотипам, что и привело к искажениям действительной истории. [262]
Когда Чедвик открыл непрерывный спектр радиоактивного β-излучения в 1914 г., никто не мог подумать, что этот курьезный феномен имеет какое-то отношение к законам сохранения. В 1922 г. были предложены два остроумных объяснения, соперничавших одно с другим. Оба объяснения исходили из атомной физики того времен. Одно принадлежало Л. Мейтнер, другое К. Эллису. Согласно Л. Мейтнер, электроны частью были первичными, исходящими из ядер, частью вторичными - из электронных оболочек. По Эллису, все электроны были первичными. Обе теории опирались на утонченные вспомогательные гипотезы, но обе предсказывали новые факты. Предсказанные факты противоречили друг другу, а экспериментальные данные поддержали теорию Эллиса. [263] Л. Мейтнер апеллировала, «апелляционный суд» экспериментаторов отклонил ее иск, но отметил, что одна из вспомогательных гипотез в теории Эллиса, имеющая принципиальное значение, должна быть отвергнута. [264] Спор закончился вничью.
262 Важное исключение—описание Паули [141]. Далее я постараюсь скорректировать это описание показать, что его рациональность легко понятна в свете моего подхода.
И никто бы не подумал, что эксперимент Чедвика поставит под сомнение закон сохранения энергии, если бы Бор и Крамерс не пришли в то же самое время, когда разгорался спор между Мейтнер и Эллисом, к идее о том, что последовательная теория может быть развита лишь при условии, что принцип сохранения энергии в единичных процессах будет отринут. Одна из главных особенностей захватывающей теории Бора-Крамерса-Слэтера (1924 г.) заключалась в том, что классические законы сохранения энергии и импульса уступают место статистическим законам. [265] Эта теория (или, скорее, «программа») была сразу же «опровергнута» и ни одно следствие ее не нашло подкрепления; она так и не была разработана настолько, чтобы объяснить β-распад.
265 Слэтер с большой неохотой участвовал в жертвенном заклании принципа сохранения. В 1964 г. он писал Ван дер Вардену: «Как Вы могли бы предположить, идея статистического сохранения энергии и импульса была заложена в теорию Бором и Крамерсом, вопреки моим лучшим намерениям». Ван дер Варден приложил немало стараний, чтобы реабилитировать Слэтера, чье преступление заключалось в том, что он взял на себя ответственность за ложную теорию ([198], р. 13).
Но несмотря на столь быстрое отвержение этой программы, - дело было не только в «опровержении» Комптона и Саймона и эксперименте Боте и Гейгера, но и в возникновении мощной соперницы: программы Гейзенберга-Шредингера (266) - Бор остался при убеждении, что нестатистические законы сохранения в конце концов должны быть отброшены и что бета-распадная аномалия никогда не найдет надлежащего объяснения, пока эти законы не будут замещены; если бы это произошло, (β-распад стал бы пониматься как решающий эксперимент, свидетельствующий против законов сохранения. Гамов рассказывает, как Бор пытался применить идею несохранения энергии при β-распаде для остроумного объяснения по-видимому вечного воспроизводства энергии в звездах. [267] Только Паули со своим мефистофельским стремлением бросить вызов Господу остался консерватором [268] и в 1930 г. выдвинул свою теорию нейтрино, чтобы объяснить бета-распад и вместе с тем спасти принцип сохранения энергии. О своей идее он сообщил в шутливом письме на конференцию в Тюбингене, сам же предпочел остаться в Цюрихе, чтобы поболеть за бейсбольную команду. [269] Впервые об этой идее он публично заявил на лекции в Пасадене (1931 г.), но не согласился на публикацию своей лекции, ибо ощущал «неуверенность». В это время (1932 г.) Бор все еще полагал, что, по крайней мере, в ядерной физике можно «отказаться от самой идеи сохранения энергии». [270]
266 Поппер заблуждается, утверждая, что «опровержений» было достаточно, чтобы привести эту теорию к краху ([161], р. 242; русск. перев., с. 367, 496).
267 [65], р. 72—74. Бор никогда не публиковал эу теорию (она была непроверяемой в тех условиях), но, как пишет Гамов, «похоже, он не был бы слишком удивлен, если бы она оказалась истинной». Гамов не приводит эту неопубликованную теорию, но вероятно, что Бор разработал ее в 1928—1929 гг., когда Гамов работал в Копенгагене.
268 См. пародийную постановку «Фауста», исполнявшуюся в Институте Бора в 1932 г.; опубликована Гамовым в приложении к его [65]. (См. Р. Мур. Нильс Бор — человек и ученый. М., 1969. С. 213—214. — Прим. перев.).
269 См. [141], р. 160.
270 [19]; русск. перев., с. 109. Эренфест также вначале выступил вместе с Бором против нейтрино. Открытие Чедвиком нейтрона в 1932 г. только слегка поколебало их оппозицию: их все же отпугивала идея частицы без заряда, возможно, даже без массы (покоя), с одним только «бестелесным» спином.
Наконец, Паули решил опубликовать свои размышления о нейтрино, представив их на Сольвеевский конгресс в 1933г., несмотря на то, что «реакция конгресса, за исключением двух молодых физиков, была скептической». [271] Но теория Паули имела некоторые методологические преимущества. Она спасала не только принцип сохранения энергии, но и принцип сохранения спина и статистику; она объяснила не только спектр b -распада, но и «азотную аномалию». (272) По критериям Уэвелла, это «совпадение индукций» должно быть достаточным, чтобы упрочить репутацию теории Паули. Но по нашим критериям, для этого необходимо еще и успешное предсказание новых фактов. Теория Паули удовлетворяла и этому критерию. У нее имелось интересное наблюдаемое следствие: β-спектр должен иметь ясную верхнюю границу. В то время проблема была открыта, но Эллис и Мотт уже занимались ей, [273] и вскоре ученик Эллиса Гендерсон показал, что их эксперименты говорят в пользу программы Паули. [274]
271 [211]. 273 [49]. 274 [73].
272 Захватывающее обсуждение нерешенных проблем, связанных с β-распадом и «азотной аномалией» см. в Фарадеевской лекции Бора, прочитанной до, а опубликованной после решения Паули ([I9], р. 380—383; [русск. перев., с. 105—110]).
На Бора это не произвело впечатления. Он знал, что если основная программа, в основу которой легло понятие статистического сохранения энергии, продолжает успешно развиваться, растущий пояс вспомогательных гипотез принимает на себя соответствующие обязанности по защите от наиболее опасных негативных данных.
И в самом деле, в эти годы большинство ведущих физиков полагало, что в ядерной физике законы сохранения энергии и импульса пали. [275] Причина была ясно указана Л.Мейтнер, признавшей свое поражение только в 1933 г.: «Все попытки поддержать значимость закона сохранения энергии также и для индивидуального атомного процесса основывались на предположении еще и другого процесса в b -распаде. Но такой процесс не был найден.. .»; [276] другими словами, программа, основанная на законах сохранения для атомных ядер, обнаружила эмпирически регрессирующий проблемный сдвиг. Имелись отдельные остроумные попытки объяснить непрерывность спектра β-излучения без допущения «нелегальной частицы». [277] Они вызвали большой интерес, [278] но были отвергнуты, поскольку не смогли обеспечить прогрессивный сдвиг.
275 Цит. по [132], р. 823. Гейзенберг в своей знаменитой статье “О строении атомных ядер”, в которой он ввел протон-нейтронную модель ядер, отмечает, что “поскольку при ?-распаде нарушается сохранение энергии, невозможно дать единственное определение энергии связи электрона в нейтроне” ([71], р. 164).
276 [121], р. 132. 277 Например, [192], [88]. 278 Наиболее интересное обсуждение этого вопроса см. в [179] р. 335-336.
В этот момент на сцену вышел Ферми. В 1933-1934 гг. он переинтерпретировал проблему b -излучения в рамках исследовательской программы новой квантовой теории. Тем самым он положил начало малой новой исследовательской программе нейтрино (которая позднее переросла в программу слабых взаимодействий). Он вычислил несколько первых приближенных моделей. [279] Хотя его теория не предсказала каких-либо новых фактов, он дал понять, что дело только за дальнейшими разработками.
Прошло два года. а обещание Ферми все еще не было выполнено. Однако новая программа квантовой физики развивалась быстро, по крайней мере, в той ее части, в какой она касалась неядерных явлений. Бор стал убеждаться в том, что некоторые исходные идеи программы Бора-Крамерса-Слэтера теперь были прочно связаны с новой квантовой программой, и что последняя разрешила внутренние теоретические проблемы старой квантовой программы, не затрагивая при этом законов сохранения . Поэтому Бор сочувственно следил за работами Ферми и в 1936 г., т. е. несколько нарушая обычную последовательность событий, оказал им, по нашим критериям слегка преждевременно, публичную поддержку.
В 1936 г. Шенкланд придумал новый способ проверки соперничающих теорий рассеяния фотона. Его результаты, казалось, поддержали уже списанную за негодностью теорию Бора-Крамерса-Слэтера и подорвали доверие к экспериментам, которые более десятилетия назад опровергали ее. [280] Статья Шенкланда произвела сенсацию. Те физики, которые питали неприязнь к новым путям исследования, сразу были готовы приветствовать эксперименты Шенкланда. Например, Дирак немедленно выразил удовлетворение по поводу возвращения "опровергнутой" программы Бора-Крамерса-Слэтера и написал очень острую статью против "так называемой квантовой электродинамики", в которой требовал "глубоких перемен в современных теоретических идеях, включая отказ от законов сохранения, чтобы получить удовлетворительную релятивистскую квантовую механику". [281] Кроме того, в этой статье Дирак утверждал, что β-распад вполне может стать одним из решающих доказательств, свидетельствующих против законов сохранения, и высмеивал «новую ненаблюдаемую частицу, нейтрино, которую некоторые исследователи постулировали, чтобы формально удержать принцип сохранения энергии, предполагая. что именно эта ненаблюдаемая частица ответственна за нарушение энергетического равновесия». [282] Впоследствии в дискуссию вступил Пайерлс. Он утверждал, что эксперимент Шенкланда может стать опровержением даже статистического принципа сохранения энергии. И добавлял: «Это, по-видимому, также хорошо, поскольку прежнюю концепцию сохранения приходится отвергнуть». [283]
В Копенгагенском институте Бора эксперименты Шенкланда были немедленно воспроизведены и признаны негодными. Якобсен, коллега Бора, сообщил об этом в письме в «Nature». Результаты Якобсена сопровождались заметкой самого Бора, который, твердо выступил против бунтарей и в защиту новой квантовой механики Гейзенберга. В частности, он защищал идею нейтрино от Дирака: «Нужно заметить, что основания для серьезных сомнений в строгой справедливости законов сохранения при испускании β-лучей атомным ядром сейчас в основном устранены благодаря многообещающему согласию между быстро увеличивающимися экспериментальными данными по явлениям β-излучения и следствиями нейтринной гипотезы Паули, столь блестяще развитой в теории Ферми». [284]
Теория Ферми в ее первом варианте не имела заметного эмпирического успеха. Более того, имевшиеся тогда данные, особенно относящиеся к случаю RaE, вокруг которого концентрировались исследования β-излучения, резко противоречили теории Ферми 1933-1934 гг. Он хотел разобраться с этой проблемой во второй части своей статьи, которая, однако, не была опубликована. Даже если видеть в теории Ферми первый вариант способной к дальнейшему развитию программы, до 1936 г. невозможно обнаружить какие-либо заслуживающие внимания признаки прогрессивного сдвига. [285] Но Бор хотел своим авторитетом поддержать отважную попытку Ферми применить новую большую программу Гейзенберга к атомным ядрам; а поскольку эксперимент Шенкланда и атаки Дирака и Пайерлса поставили β-распад в фокус критики этой новой программы, он не скупился на похвалы нейтринной программы Ферми, которая обещала заполнить ощутимую брешь. Без сомнения, последующее развитие нейтринной программы спасло Бора от драматического унижения: программы, основывающиеся на принципах сохранения Прогрессировали, тогда как в соперничающем лагере не было никакого прогресса. [286]
285 В период между 1933 и 1936 гг. некоторые физики предлагали модификация ad hoc или альтернативы теории Ферми; см., например, [9], [12], [86]. By и Мошковский в 1966 г. писали: «Как теперь известно, теория Ферми [т. е. программа] й-распада с замечательной точностью предсказывает как отношение между скоростью ?-распада и энергией разложения, так и контур β-спектра». Но, подчеркивают они, “с самого начала теория Ферми, к сожалению, подвергалась необъективным проверкам. Пока искусственные радиоактивные ядра не могли производиться в достаточном количестве, RaE было единственным явлением, вполне удовлетворявшим многочисленные экспериментальные требования в качестве ?-излучения при исследованиях контура его спектра. Только недавно стало понятно, что это явление было только весьма частным случаем. Его особая энергетическая зависимость приводила к отклонениям от того, что ожидалось от простой теории β-распада Ферми и это сильно тормозило прогрессивное развитие этой теории [т.е. программы] ([212] р. 6).
286 Вызывает сомнение даже то, была ли нейтринная программа Ферми прогрессивной или регрессивной даже в период между 1936 и 1950 гг.; даже после 1950 г. вердикт экспериментаторов все еще не было вполне ясным. Но об этом я постараюсь рассказать, когда представится другой случай. (Кстати, Шредингер защищал статистическую интерпретацию принципов сохранения, несмотря на ту решающую роль, какую он играл в разработке новой квантовой физики- см [181].)
Мораль сей истории опять-таки заключается в том, что статус «решающего» эксперимента зависит от характера теоретической конкуренции, в которую он вовлечен. Интерпретация и оценка эксперимента зависит от того, терпит ли исследовательская программа неудачу в соперничестве, или же Фортуна поворачивается к ней лицом.
Научный фольклор нашего времени, однако, перенасыщен теориями скороспелой рациональности. Рассказанная мной история фальсифицирована в большинстве описаний и реконструирована на основании ошибочных теорий рациональности. Такими фальсификациями полны даже лучшие популярные изложения. Я приведу только два примера:
1. В одной статье мы читаем о β-распаде следующее: «Когда эта ситуация возникла впервые, альтернативы выглядели мрачно. Физики были поставлены перед выбором: либо согласиться с крахом закона сохранения энергии, либо поверить в существование новой и невиданной частицы. Эта частица, испускаемая вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона, могла спасти устои физики, поскольку предполагалось, что именно она отвечает за энергетическое равновесие. Это было в начале 30-х гг., когда введение новой частицы еще не было столь обычным, как сегодня. Тем не менее, лишь слегка поколебавшись, физики выбрали вторую возможность». [287] На самом же деле и выбор был вовсе не из двух возможностей, и «колебания» были совсем не легкими.
2. В хорошо известном учебнике по философии физики мы узнаем, что:
- (1) «закону (или принципу) сохранения энергии был брошен серьезный вызов экспериментами по b -распаду, результаты которых были неоспоримы»;
- (2) «тем не менее, закон не был отброшен, и было допущено существование новых частиц ("нейтрино"), чтобы привести этот закон в соответствие с экспериментальными данными";
- (3) «основанием для этого допущения было то, что отрицание закона сохранения лишило бы значительную часть нашего физического знания его систематической связности» [288]-[289]
Все три пункта - ошибочны. Первый ошибочен, ибо никакой закон не может быть поставлен под сомнение из-за одного только эксперимента. Второй - ибо новые научные гипотезы нужны не для того только, чтобы заделывать трещины между данными и теорией, но для того, чтобы предсказывать новые факты. Третий ошибочен потому, что все было наоборот: тогда казалось, что только отрицание закона сохранения спасло бы «систематическую связность» нашего физического знания.