Анатоль Абрагам - Время вспять

В октябре 1986 года праздновали пятидесятилетие Ватиканской академии и было запланировано несколько кратких докладов. Мне предложили прочесть, в десять или пятнадцать минут, доклад на тему "Куда идет физика?" (Where to, Physics?), своего рода "Камо грядеши", для которого требовался "горизонтальный" физик. Я счел менее рискованным занятием "предсказывать" прошлое, и назвал свой краткий доклад "Откуда идет физика" (Where from, Physics?). И повел свое предсказание весьма произвольно — от 1945 года. Вот этот доклад, который не слишком перекрывается с тем, что я рассказал в своих дебатах с Томом.

*" Революция квантов и революция, спровоцированная теорией относительности, были в прошлом; открытие позитрона увенчало их союз; строение атомов, в котором крохотные ядерные магнитные моменты играли ничтожную роль, названную очень подходяще сверхтонкой структурой, не хранило больше своих тайн. Теория, называемая квантовой электродинамикой, давала удовлетворительные результаты в любых вычислениях атомной физики в первом порядке, но вела, к сожалению, к бессмысленным бесконечностям при попытках улучшить ее точность. Физика твердого тела, развитая в рамках квантовой теории, объясняла электрическую и тепловую проводимость, но сверхпроводимость еще оставалась тайной. Существующая теория фазовых переходов казалась удовлетворительной, за некоторыми исключениями, которые считались маловажными. Оптика стала классической наукой, т. е. мертвой. Ядерная физика познала свои первые успехи, восхищающие или ужасающие. Знали про нейтрон и про ядерное деление, гипотеза нейтрино вернула веру в сохранение энергии. Юкава объяснил ядерные силы обменом между нуклонами тяжелыми частицами, которые, как казалось, были обнаружены в космических лучах и прозваны мезотронами. Сохранение четности стало догмой. Гигантские или казавшиеся такими, циклотроны и бетатроны ускоряли протоны, дейтроны, альфа-частицы и электроны до "баснословных" энергий порядка сотен МэВ. Наконец "гигантские" компьютеры, тгоявившиеся во время войны для военных целей, могли проделывать сотни операций в секунду и были ограничены только загромождением, охлаждением и частыми авариями электронных ламп, на которых они работали. Но ситуация менялась и быстро. В течение последних сорока лет во всех перечисленных выше областях науки теория и эксперимент быстро двигались вперед, стимулируя друг друга, разрабатывая новые орудия и улучшая старые. В атомной физике новая техника коротких волн, унаследованная от радара, позволила обнаружить в тонкой структуре атома водорода аномалию малых размеров, но громадного значения, так как теория этой структуры считалась незыблемым оплотом союза квантов и относительности. В этой аномалии, вместе с другой такого же порядка в магнитных свойствах электрона, скрывался ключ к непонятным и невыносимым бесконечностям квантовой электродинамики. Ободренные экспериментом теоретики осмелились, наконец, вычитать одну бесконечность из другой и таким путем извлекать конечные результаты, соответствующие наблюдаемым аномалиям. Отсюда вышла теория ренормализации, которая затем распространилась на другие области теоретической физики. Изобрели диаграммы, с помощью которых велись вычисления, прежде безнадежные, иногда очень отдаленные от квантовой электродинамики. Крошечные ядерные моменты, возбужденные надлежащим образом, испускали сигналы, наблюдение которых (под названием ядерный магнитный резонанс, или ЯМР) обратилось в одно из самых "проницательных" орудий для изучения свойств сплошной материи, позже биологических молекул, и, наконец, дало ЯМР-томографию, которая видит насквозь сердца и чресла людей. Физика твердого тела, в особенности изучение так называемых полупроводников, привела к самой фантастической революции нашего времени, через изобретение транзистора и его наследника микроскопического "чипса", которые умножили возможности компьютеров во много миллионов раз. Решили загадку сверхпроводимости и обнаружили одновременно новую породу сверхпроводников. Теория хорошо объяснила и практика широко использовала их технические качества для реализации гораздо более сильных магнитных полей при несравнимо меньшем расходе электрической энергии.

Совсем недавно открыли совершенно новую породу сверхпроводников с критической температурой выше жидкого азота, свойства которых еще не поняты основательно до сих пор (1988 год). Оптику воскресили сперва через остроумную комбинацию поляризованного света и радиочастотных полей, но еще больше благодаря изобретению лазера, который скоро научились перестраивать, что произвело революцию в спектроскопии и создало новую науку — нелинейную оптику. Применение лазера в голографии, офтальмологии и других областях медицинской практики, и конечно, увы, к вооружению, бесконечны. Открыли частицу Юкавы, которая оказалась не той, что думали; доказали реальность нейтрино и открыли, что в слабых взаимодействиях догма сохранения четности нарушалась, причем очень сильно. Энергия ускорителей увеличилась на три порядка, создавая целый рой эфемерных частиц, которые с трудом укладывались в теоретические схемы. Обратимость времени в нашей жизни нарушается повседневно. На микроскопической шкале она была догмой, как и четность, но тоже нарушаемой, хотя гораздо слабее. Появились изощренные теории, которые намеренно отказывались от попыток описать реальность с какой-либо точностью и которые для неспециалиста, пишущего эти строки, могли быть выражены утверждением "все содержится во всем".

Затем, благодаря нескольким прекрасным открытиям, экспериментальным и теоретическим, сделанным за последние пятнадцать лет, все более или менее пришло в порядок, по крайней мере, до поры до времени. Существует теперь совокупность теорий, опирающихся на бесспорные экспериментальные факты, которая носит название "стандартной модели". В этой модели существуют два типа первичных составляющих материи: во-первых, "кварки", по три на нуклон, которые подвержены так называемым "сильным взаимодействиям" и описываются теоретически "квантовой хромо-динамикой"; во-вторых, "лептоны", которые взаимодействуют друг с другом, а также с кварками в рамках так называемой "электрослабой" теории — слиянии квантовой электродинамики и теории слабых взаимодействий. Мечта теоретиков элементарных частиц это слияние квантовой хромодинамики и электрослабой теории в одно целое в рамках так называемого "великого объединения". Они полагают, что такая теория дала бы правильное описание сущности вещей в самом начале после рождения невозможно горячей Вселенной, сразу после так называемого "большого взрыва" (Big Bang). Но за "великим объединением" мерцает еще одна возможность: старая мечта Эйнштейна — слияние всех физических теорий с тяготением. Физика конденсированного состояния не осталась позади. Новые понятия ниспровергли существующую теорию фазовых переходов и показали, что за бесконечным разнообразием физических явлений вблизи фазовых переходов таится одно и то же поведение. Эти предсказания теории были проверены экспериментом с большой точностью. Для изучения конденсированного состояния были розданы новые методы и орудия; во-первых, конечно, лазер, а также дифракция медленных нейтронов и электронов, ЯМР и многие другие. Большое внимание привлекли двумерные* системы, самым важным, но не единственным, примером которых являются поверхности. Замечательные возможности в этом направлении представляет недавно появившийся "сканирующий туннельный" микроскоп. Наконец, беспорядочные системы всякого рода приобрели большую теоретическую и экспериментальную важность. Возникла и пользуется большим интересом новая статистическая механика, не ограниченная требованиями эргодичности. Наконец, благодаря новым возможностям компьютеров пользуются большой популярностью так называемые "симуляции" или "компьютерные эксперименты", где реальность — незваный гость.