Ян Хакинг - Представление и вмешательство. Ian Hacking Representing and Intervening
 Скачать 1.33 Mb.
|
|
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. PEGGY II Основная идея возникла, когда Ч. Я. Прескотт заметил (“случайно”!) статью в оптическом журнале о кристаллическом веществе под названием арсенид галлия – GaAs. Это вещество имеет любопытное свойство. Когда на него воздействуют циркулярно поляризованным светом подходящих частот, он излучает множество линейно поляризованных электронов. Имеется достаточно хорошее приближенное квантовое понимание того, почему это происходит и почему половина излучаемых электронов будет поляризована, причем 3/4 электронов поляризовано в одном направлении, а 1/4 – в другом. PEGGY II использует этот факт, а так же то, что GaAs излучает множество электронов благодаря кристаллической структуре. После этого наступает черед для инженерного искусства. Его задача – освобождать электрон с поверхности. Известно, что здесь помогает покрытие поверхности подходящим веществом. В данном случае на кристалл наносился тонкий слой цезия и кислорода. Кроме того, чем меньше давление воздуха около кристалла, тем больше электронов покинет поверхность при данной интенсивности облучения. В связи с этим бомбардирование производилось в высоком вакууме при температуре жидкого азота. Нам необходим подходящий источник света. На кристалле испытывается лазер с импульсами красного света (7100 ангстрем). Сперва свет проходит через обычный поляризатор, очень древний прибор из кальцита или исландского шпата. Это дает линейно поляризованный свет. Но нам нужно, чтобы кристалл обрабатывался циклически поляризованным светом. Поляризованный лазерный луч проходит через хитрый прибор, который называется батареей Покела. Он превращает линейно поляризованные фотоны в фотоны, обладающие круговой поляризацией. Как электрический прибор, он работает в качестве очень быстрого переключателя. Направление круговой поляризации зависит от направления тока в батарее. Следовательно, направление поляризации может меняться случайным образом. Это важно, поскольку мы пытаемся уловить очень маленькую асимметрию между право- и левосторонней поляризацией. Рандомизирование помогает нам избежать любого систематического “дрейфа” в оборудовании. Рандомизация порождается радиоактивным распадом, и компьютер записывает направление поляризации для каждого импульса. Импульс фотонов, имеющих круговую поляризацию, воздействует на кристалл GaAs, в результате чего появляется импульс линейно поляризованных электронов. Пучок электронов с таким импульсом направляется магнитами на ускоритель на следующем этапе эксперимента. Этот пучок проходит через прибор, который проверяет степень поляризации вдоль нужного направления. Остальная часть эксперимента требует других приборов и детекторов, для изготовления которых нужна не меньшая изобретательность, но мы остановимся на PEGGY II. Помехи Короткое описание делает все слишком простым, так что давайте остановимся и поразмыслим над возможными помехами. Многие из них так и остаются никогда не понятыми. Они устраняются методом проб и ошибок. Продемонстрируем три вида помех: (1) существенные технические ограничения, которые в конце концов должны быть включены в анализ ошибок; (2) простые механические дефекты, о которых не размышляют до тех пор, пока они не действуют на вас; (3) намеки на то, что могло бы быть неправильным. (1) Лазерные пучки не так постоянны, как учит нас научная фантастика, и всегда имеется неустранимая “дрожь” в луче на протяжении любого отрезка времени. (2) На более банальном уровне электроны из кристалла GaAs рассеиваются назад и возвращаются по тому же каналу, что и лазерный луч, используемый для удара о кристалл. Большинство их затем отклоняется под действием магнитного поля. Но некоторые отражаются от лазерного аппарата и возвращаются в систему. Так что необходимо уничтожить эти побочные электроны. Это совершается при помощи грубых механических средств, заставляющих электроны фокусироваться вне кристалла и таким образом уходить из него. (3) Хорошие экспериментаторы остерегаются даже совсем невероятных помех. Что если предположить, что частицы пыли на экспериментальной поверхности ложатся плоско, когда поляризованный импульс ударяется о них, а затем “встают дыбом”, если подвергаются действию импульса, поляризованного в противоположном направлении? Может это быть источником систематической ошибки, если учесть, что мы улавливаем малую асимметрию? Как-то ночью одному члену группы пришла в голову такая мысль, и на следующее утро он стал яростно поливать установку противопылевым спреем. Это делалось на протяжении целого месяца, на всякий случай. Результаты Требовалось около 1011 событий для того, чтобы получить результат, который был бы признан действительным результатом, а не отнесен к систематической и статистической ошибке. Хотя идея систематической ошибки представляет интересные концептуальные проблемы, она, по-видимому, неизвестна философам. Существовали систематические неопределенности в определении право- и лево-сторонней поляризации, имела место некоторая дрожь, и существовали другие проблемы относительно параметров этих двух типов пучков электронов. Эти ошибки анализировались и линейно складывались со статистической ошибкой. Для занимающегося статистическим выводом это является настоящим протиранием штанов без какого-либо смысла. Может это и было так, но благодаря PEGGY II число событий было достаточно велико для того, чтобы дать результат, который убедил бы все физическое сообщество. Лево-поляризованные электроны рассеивались на дейтерии несколько более часто, чем право-поляризованные электроны. Это было первым убедительным примером нарушения четности в слабых взаимодействиях с нейтральным током. Комментарий Изготовление PEGGY II было явно не теоретическим процессом. Никто заранее не разрабатывал поляризационные свойства GaAs – он был найден случайно путем независимых экспериментальных исследований. Хотя элементарная квантовая теория кристаллов объясняет поляризационный эффект, она не объясняет свойства действительно используемого кристалла. Никому не удавалось заставить реальный кристалл поляризовать более 37% электронов, хотя в принципе должно быть поляризовано 50% электронов. Сходным образом, хотя у нас имеется некоторая общая картина того, почему слои цезия и кислорода будут “производить отрицательное электронное сродство”*, то есть давать электронам большую возможность для вылета, у нас нет количественного понимания того, почему это повышает эффективность до 37%. Не было также никакой гарантии, что отдельные куски уложатся в общую картину. Чтобы дать более современную иллюстрацию, будущая экспериментальная работа, вкратце описанная ниже, заставляет желать даже большего числа электронов за импульс, чем могла бы дать PEGGY II. Когда информация об эксперименте по нарушению четности была опубликована в “New-York Times”, ученые из группы в Лаборатории Белла прочитали газету и увидели, что происходит. Ими уже была сконструирована кристаллическая решетка для совершенно других целей. В ней использовались слои GaAs и родственное соединение алюминия. Структура этой решетки давала основания ожидать, что с ее помощью все излучаемые электроны будут поляризованы. То есть появляется возможность удвоить эффективность PEGGY II. Но в настоящее время эта прекрасная идея встречается с большими трудностями. Новая решетка также должна быть покрыта веществом, уменьшающим работу выхода электронов. Цезиево-кислородное соединение наносится при высокой температуре. Следовательно, алюминий стремится к проникновению в соседний слой GaAs, и довольно искусно сделанная решетка становится слегка неправильной, ограничивая тем самым свои тонкие свойства, связанные с излучением поляризованных электронов. Таким образом, возможно, она никогда не будет работать. Одновременно Прескотт возродил термоэмиссионный катод, повышая его мощность, для того чтобы получить больше электронов. “Теория” не скажет нам, что PEGGY II превзойдет термоэмиссионный PEGGY I. Она также не скажет нам о том, будет ли PEGGY II превзойдена каким-либо термоэмиссионным PEGGY III. Заметим, что сотрудники Лаборатории Белла не нуждались в знании теории слабого нейтрального тока для того, чтобы разрабатывать свои образцовые решетки. Они просто читали “New-York Times”. Мораль Когда-то было вполне осмысленно сомневаться в том, что существуют электроны. Даже после того, как Томсон измерил массу своих корпускул и Милликен измерил их заряд, сомнение еще имело смысл. Необходимо было точно знать, что Милликен меряет ту же самую величину, что и Томсон. Требовалась большая теоретическая разработка. Идею нужно было использовать во множестве других явлений. Физика твердого тела, атом, сверхпроводимость – все это должно было играть свою роль. Когда-то лучшим доводом в пользу мысли о том, что электроны существуют, мог быть успех в объяснении явлений. В главе 12 мы видели, как Лоренц объяснял эффект Фарадея с помощью теории электрона. Я уже говорил, что способность к объяснению не дает гарантии истинности. Даже со времени Дж. Дж. Томсона основными считались измерения, а не объяснения. Объяснения, конечно, помогали. Некоторые люди, может быть, верили в существование электронов, потому что постулирование их существования объясняло широкий класс явлений. К счастью, нам больше не нужно делать вид, что мы делаем вывод о существовании электронов из успешного объяснения (то есть из того, что создает комфорт нашему разуму). Прескотт и другие не объясняли явления с помощью электронов. Они знали, как использовать их. Ни один человек в здравом уме не думает о том, что электроны – “действительно” маленькие вращающиеся шарики, вокруг которых, имея достаточно маленькую руку, вы можете обернуть пальцы так, что большой палец будет указывать направление вращения. Вместо этого существует семейство причинных свойств, в терминах которых талантливые экспериментаторы описывают и раскрывают природу электрона для того, чтобы изучать что-либо еще, например, слабые нейтральные токи и нейтральные бозоны. Мы знаем огромное количество фактов о поведении электронов. Очень важно знать также то, что не имеет большого значения для электронов. Так, мы знаем, что попадание поляризованного электронного пучка в магнитную катушку не повлияет на поляризацию каким-либо существенным образом. У нас есть догадки, слишком сильные для того, чтобы их можно было бы игнорировать, и в то же время слишком тривиальные для того, чтобы проверять их независимо: например, пыль может колебаться при изменении направления поляризации. Эти догадки основаны на трудноуловимом смысле вещей, таких как электроны. (К этой догадке не имеет отношения вопрос о том, являются ли электроны облаками, волнами или частицами.) |