Но существует ли общее ядро теории, общее мнение всех членов группы, которое и есть теория электрона и которой реалистически придерживаются все экспериментаторы? Я бы назвал это общим профессиональным знанием, а не общим ядром. Существует множество теорий, моделей и тому подобного, включающего электроны, но нет основания предполагать, что пересечение всего этого вообще есть теория. Нет так же и повода думать, что существует такая вещь, как “наиболее мощная нетривиальная теория, содержащаяся в пересечении всех теорий, в которую научили верить того или иного члена группы”. Даже если существует множество разделяемых мнений, то нет основания предполагать, что они образуют нечто, что стоит называть теорией. Естественно, что группы обычно складываются из единомышленников, работающих в одном институте, так что обычно существует некий общий теоретический базис для их работы. Это социологический факт, а не основание для научного реализма.
Я признаю, что многие философские теории, касающиеся научного реализма, являются учениями не о настоящем, а о том, что мы можем достигнуть; они об идеале, к которому мы стремимся. Так что отсутствие теории не может быть аргументом против оптимистической цели. Суть заключается в том, что такой научный реализм относительно теорий должен принять пирсовские принципы веры, надежды и любви. Научный реализм относительно объектов не нуждается в этих добродетелях. Он возникает из того, что мы можем сделать в настоящем. Чтобы понять это, мы должны рассмотреть подробнее построение прибора, который может заставить электрон успокоиться и вести себя прилично.
Делание
Даже если экспериментаторы являются реалистами относительно объектов, из этого не следует, что они правы. Может быть, это дело психологии, может быть, само мастерство заставляет талант экспериментатора сочетаться с особым складом ума, объективирующим все, о чем он мыслит. Хотя и это не так. Экспериментатор с готовностью полагает, что нейтральные бозоны являются чисто гипотетическими объектами*, и в то же время считет электроны реальными. В чем различие?
Существует бесконечное количество способов, которыми можно делать инструменты, основывающиеся на причинных свойствах электронов, для того, чтобы произвести желаемый эффект непревзойденной точности. Сейчас я постараюсь проиллюстрировать этот факт. Аргумент, который может быть назван экспериментальным аргументом в пользу реализма, состоит не в том, что мы выводим реальность электрона из нашего успеха. Дело обстоит не так, что мы сначала делаем инструменты, затем выводим реальность электронов, как в том случае, когда мы проверяем гипотезу и начинаем в нее верить, потому что она прошла тест. По отношению к объектам такой временной порядок не проходит. Здесь дело обстоит так: к настоящему времени мы разработали прибор, который основывается на скромном наборе банальных истин относительно электронов, для того чтобы произвести несколько других явлений, которые мы желаем исследовать.
Это может навести на мысль, что мы верим в электроны, поскольку можем предсказать поведение нашего прибора, но это так же далеко от действительности. У нас есть ряд общих идей, скажем, о том, как подготовить поляризованные электроны. Мы тратим много времени на построение прототипов приборов, которые не работают. Мы избавляемся от неимоверного количества ошибок. Часто нам необходимо сдаться и попробовать другой подход. Отладка – это не дело теоретического объяснения или предсказания того, в чем ошибка. Частично она сводится к тому, чтобы избавиться от “шума” в приборе. Хотя слово “шум” также имеет точное значение, оно часто означает все те события, которые не укладываются ни в одну теорию. Инструмент должен быть способен физически выделять свойства объектов, которые мы хотим использовать и подавлять все остальные эффекты, которые могут нам помешать. Мы полностью убеждены в реальности электронов, когда мы регулярно пытаемся построить – и довольно часто с успехом строим – новые виды приборов, которые используют разнообразные, плохо понятные причинные свойства электронов для проникновения в другие, более гипотетические части природы.
Это невозможно понять без примера. Знакомые исторические примеры часто обрастают ложными философиями истории науки, ориентированными на теорию. Так что я возьму новый пример, относящийся к поляризующей электронной пушке с акронимом PEGGY II. В 1978 году она использовалась в фундаментальном эксперименте, который привлек внимание даже газеты “Нью-Йорк Таймс”. В следующем разделе я опишу суть изготовления PEGGY II. Для этого мне понадобится немного рассказать о некоторой области новейшей физики, описание которой можно пропустить и читать лишь следующий далее инженерный раздел.
И все же для читателя может представить интерес довольно легкое для понимания значение основных экспериментальных результатов, а именно (1) четность поляризованных электронов при рассеянии на дейтерии не сохраняется; и (2) более общий факт, согласно которому четность нарушается в слабых взаимодействиях нейтральных токов.
Нарушение четности и слабые нейтральные токи
В природе существуют четыре основных типа сил, про которые нельзя сказать, что они совершенно различные. Сила тяжести и электромагнитные силы известны всем. Существуют еще сильные и слабые силы, которые воплощают исследовательскую программу Ньютона, изложенную им в “Оптике”. Ньютон утверждал, что вся природа должна пониматься в смысле взаимодействия частиц с различными силами притяжения или отталкивания, действующими на разных расстояниях (то есть с различными скоростями убывания их величин с отдалением).
Сильные взаимодействия в 100 раз сильнее, чем электромагнитные, но действуют на чрезвычайно малых расстояниях, не превышающих диаметр протона. Сильные силы действуют на “адроны”, которые включают в себя протоны, нейтроны и некоторые недавно открытые частицы, но не на электроны и другие частицы из класса, называемого “лептонами”.
Слабые взаимодействия в 10000 раз слабее электромагнитных сил и действуют на расстояниях в 100 раз меньших, чем расстояния, характерные для сильных взаимодействий, но зато они действуют как на адроны, так и на лептоны. Самым известным примером слабых взаимодействий служит b -радиоактивность.
Теорией, благодаря которой были получены такие выводы, была квантовая электродинамика. Эта теория чрезвычайно успешна и дает предсказания с точностью до одной миллионной, что является чудом современной физики.* Она применима на расстояниях от диаметра Земли до 1/100 диаметра протона. Эта теория предполагает, что носителями всех сил служат некоторого рода частицы. Носителями электромагнитных взаимодействий служат фотоны. Есть гипотеза, что носителями гравитационной силы являются “гравитоны”. В случае со взаимодействиями, включающими слабые силы, существуют заряженные токи. Постулируется, что носителями этих слабых сил являются частицы, которые называются бозонами. Для заряженных токов бозоны могут быть положительными или отрицательными. В 1970 годах обнаружилась возможность того, что могут быть слабые “нейтральные” токи, в которых заряды не переносятся и не обмениваются. По простой аналогии с проверенными частями квантовой электродинамики, нейтральные бозоны постулированы как носители слабых взаимодействий.
Наиболее известное открытие в современной физике высоких энергий заключается в нарушении закона сохранения четности. Вопреки ожиданиям многих физиков и философов, включая и Канта, природа непререкаемо различает правостороннее и левостороннее. Это становится очевидным лишь для слабых взаимодействий.
То, что называется право- или левосторонностью в природе, конечно, имеет условный характер. Я уже говорил о том, что у электронов есть спин. Представьте, что ваша рука обнимает крутящуюся частицу так, что пальцы указывают в сторону вращения. В таком случае говорят, что большой палец направлен в сторону вектора вращения. Предположим, что такие частицы движутся в пучке, и рассмотрим отношение между вектором вращения и пучком. Если у всех частиц вектор вращения направлен в том же направлении, что и пучок, то имеет место правосторонняя поляризация, а если вектор вращения противоположен направлению пучка, то имеет место левосторонняя поляризация.
Открытие нарушения четности показало, что один из продуктов распада частиц, так называемое мюонное нейтрино, существует только в левосторонней поляризации.
Нарушения четности были обнаружены для слабых заряженных взаимодействий. Можно ли это утверждать для случая слабых нейтральных токов? Замечательная модель Вайнберга-Салама для четырех типов сил была предложена независимо Стивеном Вайнбергом в 1967 году и А. Саламом в 1968 году*. Она подразумевает малые нарушения четности в слабых нейтральных взаимодействиях. Если считать, что эта модель – чистое умозрение, то ее успех совершенно удивителен и даже внушает благоговение. Так что стоит попытаться проверить предсказанное нарушение четности для слабых нейтральных взаимодействий. Это может обеспечить нас большей информацией о слабых силах, которые действуют на таких малых расстояниях.
Предсказание заключается в следующем: левосторонне поляризованные электроны, ударяясь об определенные препятствия, рассеиваются немного больше, чем правосторонние электроны. Немного больше! Разница в относительных вероятностных частотах рассеяний двух типов составляет 1/10000, сравнимую с различием вероятности между 0,50005 и 0,49995. Предположим, что используется стандартное оборудование, которое было доступно в Стэнфордском линейном ускорителе в начале 1970-х годов. Оно дает 120 импульсов в секунду, каждый из которых порождает одно электронное событие. В этом случае потребуется 27 лет для того, чтобы уловить такое малое различие в относительной частоте. Учитывая то, что один пучок используется сразу в нескольких экспериментах, разрешая различным экспериментаторам использовать различные импульсы и учитывая, что ни одна установка не может быть стабильной больше месяца, не говоря уже о 27 годах, можно понять, что такой эксперимент невозможен. Для успеха необходимо бесконечно больше электронов, выбрасываемых в каждом импульсе. Необходимо от 1000 до 10000 дополнительных электронов на импульс по сравнению с тем, что было возможно раньше. В первой попытке использовался прибор, который теперь называется PEGGY I. Он содержал, по существу, высококласный вариант горячего катода Дж. Дж. Томсона. Нагревалось некоторое количество лития и испарялись электроны. PEGGY II основана на совершенно отличных принципах.