CC BY
72
ФИЛОСОФИЯ И НАУКА
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА УСКОРИТЕЛЯХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ*
А.И. Липкин
Кафедра философии Факультет гуманитарных наук Московский физико-технический институт (государственный университет)
Институтский переулок, 9, г. Долгопрудный,
Московская область, Россия, 141700
В.С. Пронских
Объединенный институт ядерных исследований ул. Жолио-Кюри, 6, Дубна, Московская область, 141980
Используя «теоретико-операционную» структурную схему эксперимента Фока-Липкина, разрабатывается язык описания структуры современного сложного эксперимента и проводится анализ его основных элементов: приборов, фона, анализа данных и их теоретических составляющих.
Ключевые слова: эксперимент, идентификация, теоретическая модель, гетерономная структура, математическое моделирование.
Введение
Вопрос о «теоретической нагруженности» эксперимента проходит красной нитью через всю постпозитивистскую философию науки. Аллан Франклин применяет понятие теоретических компонент («theoretical components») эксперимента, развивая мысль А. Пикеринга о том, что «...теория прибора и теория феномена совместно входят в получение значимого экспериментального результата...» [8]. Мы предлагаем более развитый понятийный язык, который, с одной стороны, позволяет точно указывать место конкретных теоретических компонент в эксперименте, а с другой — показывает, что осталась прежней возникшая в XVII в. принципиальная «теоретико-операциональная» структура физического эксперимента:
<P|ph/T|M>, <1>
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 08-06-00229a.
где операции приготовления <Р| и измерения |М> взяты из техники, они искусственны и принадлежат «второй природе», а естественное явление рЪ (и/или его теоретическое описание Т) относится к естественным природным процессам, к «первой природе». Эта гетерогенная структура, в которой сочетаются теоретические и операциональные части, составляет одну из важнейших черт научной революции XVII в., в ходе которой произошло преобразование натурфилософии в естественную науку Нового времени [3] (1). К этому следует добавить классификацию теорий по трем уровням. К первому уровню относятся теории, задающие основания раздела физики (нерелятивистской квантовой механики, квантовой теории поля), где создаются новые первичные понятия и объекты этого раздела физики; ко второму — теории (модели) явлений внутри существующих разделов физики, теории, являющиеся следствием теории первого уровня (2); к третьему — теории, используемые в приборах при измерении или приготовлении физической системы.
Для того чтобы в схеме <1> теоретические компоненты различного уровня и характера были выписаны явно, включим в форму описания операций приготовления и измерения изучаемого явления приборы (брк((Тк) а;Ь) и бтк((Тк) а;Ь), где индексы «р» или «т» обозначают принадлежность прибора соответственно операциям приготовления и измерения, Т — лежащая в его основе теория третьего уровня (теоретическая составляющая прибора), к — номер, отражающий последовательность операций, а — исходный материал; Ь — конечный продукт соответствующей операции. Под «прибором» (или «инструментом») здесь понимается некоторая функциональная единица экспериментальной установки (относящаяся к приготовлению <Р| или измерению |М>), которая является инвариантом в данном эксперименте, характеризуясь лишь связью между входом и выходом. При этом работа прибора может быть основана на сколь угодно сложных теориях, но эти теории «не проблематизированы», то есть не являются предметом исследования в данном эксперименте и принимаются за достоверные.
Качественное усложнение приборов — одна из принципиальных новых черт физики второй половины XX в. (образцом такого усложнения является ускоритель элементарных частиц). Их выбор и разработка настолько усложнились и стали требовать столь большого объема исследовательских и расчетных работ, что часть сообщества экспериментаторов, занятых, например, созданием детекторов в физике частиц, выделяется в отдельное сообщество, именуемое Галисоном инструменталистами [7]. Работа экспериментатора в результате сводится, главным образом, к выбору типа приборов, заданию режимов их работы, соответствующих выполнению конкретного измерения, и анализу данных. Задача теоретика, как и в начале прошлого века, сводится к созданию теории, а также определению (в общем виде) наблюдаемых величин этой теории. Однако использование в теориях менее наглядных понятий и более сложных и абстрактных разделов математики ведет и с этой стороны к разделению труда теоретиков и экспериментаторов [Там же]. С бурным развитием вычислительной техники в конце прошлого века и усложнением математического аппарата теорий сформировалось промежуточ-
ное между теоретиками и экспериментаторами сообщество, занимающееся математическим моделированием экспериментально наблюдаемых величин применительно к конкретным экспериментальным условиям с использованием существующих теорий в пределах изменения свободных параметров этих теорий. В результате этого происходит специализация и разделение труда на экспериментаторов, инструменталистов, теоретиков, математиков с последующим сложным взаимодействием [Там же].
Описание эксперимента
Обсуждаемый эксперимент по изучению рассеяния нейтрино, в котором был обнаружен обмен нейтральными промежуточными частицами («нейтральные токи») — один из ряда экспериментов по проверке квантово-полевой теории элект-рослабого взаимодействия, являющейся в нашей классификации теорией «первого уровня». В основе этого эксперимента лежит также теоретическая модель, включающая «нейтральные токи» — продукт теории «второго уровня». Сложное переплетение теории, эксперимента и приборов возникает уже на стадии постановки эксперимента [4].
Схему ускорительного эксперимента, представленного в работе Галисона, можно изобразить следующим образом (рис.).
Поглотитель,
замедлитель
Рис. Блок-схема эксперимента на установке Гаргамель
Пучок протонов ускорителя попадает в мишень, и образующиеся в ней пионы и каоны, двигаясь через замедлитель, распадаются с образованием мюонных нейтрино, которые достигают пузырьковой камеры и вызывают в ней изучаемые взаимодействия, тогда как остальные частицы задерживаются замедлителем. Часть нейтрино попадает в материалы, окружающие камеру, такие как магниты и защита, и образуют в ней нейтроны фона. Эти фоновые нейтроны, также проникающие в камеру, могут вызывать в ней процессы, сходные с вызываемыми нейтрино.
Операция приготовления будет выглядеть так:
<Р| = {<Р1| * <Р2| * (<Р3,1| + <Р3,2|) * (<Р4| + <Р5|)}, (2.1)
где знак «+» обозначает параллельность операций, а «*» — их последовательность
<Р1| = <Р1{ар1((Т1) р(В1);(р(В2))}|, (2.2)
где ар1((Т1)р(Е1);(р(Е2)) (2.3)
— прибор-ускоритель для приготовления первичного пучка протонов р(Е2) необходимой энергии Е2 из исходных протонов с энергией Е1 (р(Е1)), базирующийся на физике и технике ускорителей, использующих теории Т1,
<Р2| = <Р2{^2(Т2) р(Ег), Ве, А1; п, К}|, (2.4)
где бр2((Т2) р(Е2), Ве, А1; п, К) — прибор-мишень для протонов р(Е2), содержащая ядра атомов Ве и А1 и обеспечивающая рождение достаточного количества необходимых пионов (п) и каонов (К), основываясь на теории Т2, предсказывающей рождение таких частиц в реакции с протонами. Эти пионы и каоны затем пролетали некоторое расстояние, и в течение этого времени большая часть из них распадалась на мюоны и мюонные нейтрино, что можно описать аналогичными формулами [4].
С операциями измерения дело обстоит следующим образом. Используя введенное выше описание прибора, имеем:
|М> = |1>*|$>, (2.8)
где
|1> = |1{ёт6(Т6) е±, р±, заряженные адроны; {рЪо1о;}}>, (2.9)
— операция индикации посредством пузырьковой камеры, бт6((Т6) е±, ^±, заряженные адроны; {рЪо1о;}) — основанный на теории «третьего уровня» Т6 прибор-мишень (пузырьковая камера), в которой вдоль траекторий движения заряженных частиц происходило закипание рабочего вещества, находящегося в неоднородном электрическом и магнитном поле; в результате каждого акта измерения экспериментатор получает фотоснимок {рЪо1о;} с изображением множества следов (треков) частиц (рЪо1о;).
В обсуждаемом эксперименте одной из искомых характеристик было отношение вероятностей процессов, идущих с образованием промежуточных Z0-бозонов, к числу идущих с образованием "^-бозонов. Определение отношения вероятностей, как и положено вероятностям, требует множества актов измерения. В данном случае каждому такому акту отвечает отдельный фотоснимок. Отметим, что здесь есть четкая граница между явлением и прибором, осуществляющим индикацию (3). Последний использует теории Т6, но это уже теория прибора, никак не связанная с описываемым КТП явлением; это теории, описывающие взаимодействие частиц с классическими и квазиклассическими (ионизация) объектами (4). Однако фотоснимок — это не конечный этап измерения (5), за индикацией следуют обозначенные |8> операции «сравнения», суть которых — в измерении-идентификации полученных траекторий. Этот важный этап относится к «анализу данных» (6).
Анализ данных
«Анализ данных» состоит в «распознавании образа-следа» на фотографии, которое предполагает две части:
1) теоретическое «вычисление» эталонного образа-следа 1т^Т1), полученного с помощью теории Т1, включающей в себя учет свойств данной установки
(геометрию пузырьковой камеры и распределение электрического и магнитного полей в ней);
2) его распознавание на фотоснимке (1{рЬо1о^1т; (Т1)}). При выполнении весьма трудоемкой второй части работы часто оказывается возможным заложить в компьютер алгоритм поиска образа-следа, для которого служит эталоном 1щ(Т1), учитывающего множество возникающих здесь эффектов.
Образ-след 1т; (изображение явления, т.н. «события») в описываемом эксперименте представляет собой совокупность следов соответствующего процесса разлета образовавшихся во взаимодействии частиц из некоторой точки (вершины). В зависимости от используемой теоретической модели Т1 возможны самые разные интерпретации наблюдаемых в ходе такого эксперимента явлений, запечатленных на фотографии. С точки зрения разных теорий Т1 один и тот же след в детекторе установки часто может быть объяснен посредством различных частиц, обладающих различными энергиями и иными физическими свойствами. При этом эталонный образ-след 1т;(Т1) является зависящим от устройства и параметров конкретной установки.
Например, теория может предсказать, что след от частицы А должен быть искривлен в определенную сторону, и ее след шире, чем от частицы Б. Однако величина этой кривизны, как и абсолютная величина ширины следа, являются следствием режима работы установки, причем лишь в определенной экспериментальной ситуации, поэтому некоторые эталоны-образы 1т;(Т1) создаются уже на этапе анализа данных.
Еще одна сложная задача — различение следов электрически заряженных частиц, образовавшихся в изучаемом процессе (рассеянии нейтрино), от следов таких же заряженных частиц, но образовавшихся в фоновом процессе (рассеянии фоновых нейтронов). Различия в характеристиках следов, по которым такое различение могло бы быть проведено, во-первых, малы по величине, а во-вторых, зависят от теорий, используемых для описания их возникновения. По этой причине, проверяя основную теорию (электрослабого взаимодействия), экспериментаторы вынужденно использовали и другие теории, описывавшие рождение фоновых нейтронов в окружающих установку материалах (7).
Идентификация фона состоит в поиске всех возможных в данной экспериментальной ситуации явлений, сходных с исследуемым явлением, и предполагает построение количественной теоретической модели каждого из источников фона. Этот процесс настолько сложен и трудоемок, что требует затрат времени больших, чем собственно накопление измерительных данных, т.е. того, что до середины XX в. было принято считать экспериментом.
Подтверждение изучаемого варианта электрослабой теории состояло (в данном эксперименте) в приписывании снимков тому или иному процессу (вылету заряженной частицы при распаде нейтрального Z0 или заряженного "±-бозона) и последующему статистическому анализу. Затем вычислялись отношения количеств снимков, приписанных различным процессам, которые характеризовали их относительные вероятности.
Эти вероятности непосредственно вычисляются в рамках моделей изучаемой теории. Среди снимков, полученных в вышеописанном эксперименте, нужно было выделить события с появлением:
1) одиночного электрона, являющегося проявлением нейтрального тока (обмен Z0),
2) вылета нескольких адронов (нейтральный ток, обмен Z0),
3) вылета нескольких адронов и одного мюона (заряженный ток, обмен "±).
Таким образом, анализ снимков можно представить как поиск на фотографических снимках изображения какого-либо из описанных выше процессов, каждому из которых отвечает некоторый уникальный эталон-образ 1т^ и в отделении изображений этих процессов от изображений, вызванных фоновыми процессами ^), которым отвечает некоторое множество эталонов-образов фона 1тЬг
Включенность теоретической составляющей Т1 в операции «распознавания образов», составляющих ядро анализа данных, приводит к тому, что решающее значение в формировании результата играет не только технологическая (развитие техники эксперимента и методов анализа данных), но и теоретическая составляющая анализа. Вследствие этого [7. Р. 174] различные подходы к анализу данных (т.е. использование различных основных и дополнительных теорий) могут приводить к заметным различиям в результатах, например, восприятию следов как фона при использовании теорий, предсказывавших пренебрежимо малые вероятности рассеяния нейтрино на электроне, и восприятию их как следов электрона, родившегося при распаде нейтрального Z0-бозона, после появления теории Глэ-шоу—Вайнберга—Салама.
Нечто похожее можно найти уже в классическом эксперименте. Так, в обсуждаемых экспериментах по измерению гиромагнитного соотношения выявилось, что неучет магнитного поля Земли вводил систематическую ошибку и приводил Эйнштейна и де Гааза к неверному заключению относительно величины эффекта. Такое изменение восприятия сходно с известным из психологии переключением гештальта, индуцированного выбором теорий Т1 при формировании эталонов-образов 1т;(Т1) (Галисон не разделяет такую точку зрения).
Итак, основные черты классического физического эксперимента, зафиксированные на «теоретико-операциональной» схеме № 1 эксперимента Фока—Лип-кина, остаются и в современном сложном эксперименте. Однако последний обладает рядом дополнительных характерных черт, для описания которых потребовалось развить структуру <1> до более сложной структуры <2> (т.е. <2.1 >—<2.9>). Схема <2> дает язык, учитывающий переход от «простого» классического эксперимента (приблизительно до середины XX в.) к сложному современному эксперименту, характерный признак которого — принципиальное усложнение приборов, математического аппарата теорий; углубление специализации экспериментального, теоретического и инструментального сообществ; увеличение роли анализа данных, оказывающегося в центре экспериментальной деятельности; дополнительные теоретические компоненты многообразных источников фона. Схема <2> позволяет проводить более конкретное, детальное и систематическое рассмотрение многообразных составляющих современного сложного эксперимента.
ПРИМЕЧАНИЯ
(1) Такую трехчастную структуру эксперимента в квантовой механике предложил В.А. Фок (в рамках полемики с Н. Бором) [5]. Но подобная структура появляется уже в теории падения тел в «Беседах...» Г. Галилея [2; 3].
(2) Этим уровням отвечают уровни «первичных» и «вторичных» идеальных объектов [2; 3]. Последние представляют собой теоретические модели явлений. Нам представляется, что именно их фиксирует Галисон, говоря о частом опосредовании теории моделью [7. P. 131].
(3) Т.е. нет боровской «проблемы» размежевания исследуемого объекта и измерительного прибора в едином «явлении».
(4) Т.е., как и в нерелятивистской квантовой механике [3], ничего типа «редукции волновой функции» здесь нет и не требуется.
(5) Использование фотоснимка приводит к тому, что между получением фотоснимка и получением экспериментального результата может пройти много времени.
(6) До середины XX в. он не привлекал к себе внимания, поскольку практически сводился к съему показаний измерительных приборов установки. Посторонние явления, которые могли исказить показания приборов (фон), считались пренебрежимо малыми, поскольку удавалось создать такие условия эксперимента, чтобы их влиянием на результат можно было пренебречь.
(7) Нейтрино (или антинейтрино) из исходного пучка неизбежно порождает большое, но точно неизвестное, число нейтронов в окружающих установку магнитах, полуконструкци-онных материалах, которые попадают затем в пузырьковую камеру. Если один из этих вторичных нейтронов сталкивается с нейтроном или протоном в пузырьковой камере, то может возникнуть поток адронов, который выглядит аналогично безмюонному нейтринному «событию» (проявлению нейтральных Z0-токов). Другим источником фона являлись так называемые «ассоциативные события»: нейтроны, испускавшиеся наряду с другими адронами в нейтринных событиях, могли в дальнейшем вызывать в других местах рабочего объема камеры потоки вторичных адронов, неотличимые от безмюонных нейтринных событий.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Кун Т. Структура научных революций. — М., 2001.
[2] Липкин А.И. Объектная теоретико-операциональная модель структуры научного знания // Философия науки. — М., 2007.
[3] Липкин А.И. Основания современного естествознания. Модельный взгляд на физику, синергетику, химию. — М., 2001.
[4] Липкин А.И., Пронских В.С. Переплетение теоретических, экспериментальных и приборных компонент в ускорительных экспериментах: «теоретико-операционная» модель // Электронный научный журнал «Исследовано в России». — 2009. http://zhumal.ape.relam.ru/ articles/2009/044.pdf
[5] Фок В.А. Критика взглядов Бора на квантовую механику // Успехи физических наук. — 1951. — XLV. — 1.
[6] Хакинг Я. Представление и вмешательство. Введение в философию естественных наук. — М., 1998.
[7] Galison P.L. How experiments end. — Chicago and London, 1987.
[8] Franklin A. «Experiment in Physics» // The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2007 Edition), Edward N. Zalta (ed.) // http://plato.stanford.edu/archives/fall2007/entries/ physics-experiment.
THEORETICAL COMPONENTS IN PARTICLE ACCELERATOR-BASED EXPERIMENTS
A.I. Lipkin
Department of Philosophy Moscow Institute of Physics & Technology (State University)
Institutskii Per., 9, Dolgoprudny, Moscow Region, Russia, 141700
V.S. Pronskikh
Joint Institute for Nuclear Research Joliot-Curie str., 6, Dubna, Moscow Region, Russia, 141980
In accordance with the «theoretical-operational» structure of experiment of Fock-Lipkin, a symbolic language is developed for the description of structure of a contemporary complex experiment, and the analysis of its essential features (instrument, background, data analysis, and their theoretical components ) is performed.
Key words: experiment, identification, theoretical model, heteronomous structure, mathematical modeling.
