Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

Если экстраполировать существующие законы физики далеко за пределы тех масштабов, в которых они были протестированы, мы обнаружим, что квантовые флуктуации в метрическом поле во временных и пространственных масштабах, меньших планковской длины и времени, настолько важны по сравнению со своим средним значением, что практическое значение длины и времени теряет смысл. В этой книге приводятся важные указания на объединение различных сил природы, в частности на то, что их величины становятся равными, когда они измеряются в планковских единицах в масштабе планковской длины.

Поле

Сущность, заполняющая пространство. Полевая концепция появилась в физике в XIX веке благодаря работе Фарадея и Максвелла, посвященной электричеству и магнетизму. Они обнаружили, что законы электричества и магнетизма можно сформулировать проще всего, если ввести идею о существовании невидимых электрических и магнитных полей, заполняющих все пространство. Сила, оказывающая влияние на электрический заряд в точке, дает меру силы электрического поля в этой точке; однако в концепции Фарадея — Максвелла поле существует вне зависимости от существования заряженной частицы, чувствительной к нему. Таким образом, поля живут своей собственной жизнью. Плодотворность этой концепции проявилась очень скоро, когда Максвелл обнаружил, что самовосстанавливающиеся возмущения в электрическом и магнитном полях можно интерпретировать как свет, не ссылаясь на какие-либо материальные заряды или токи.

В квантовой версии электродинамики электромагнитные поля рождают и уничтожают фотоны. В более общем смысле виды возбуждений, которые мы воспринимаем как частицы (электроны, кварки, глюоны и т.д.), создаются и уничтожаются различными полями (электронным полем и т.д.), которые являются первичными объектами. Это дает нам самое фундаментальное понимание того жизненно важного факта, что любые два электрона в любом месте Вселенной имеют одинаковые основные свойства. Оба они созданы одним и тем же полем!

Иногда физики или инженеры делают заявления вроде этого: «Я свел на нет электрическое и магнитное поля в своей специальной экранированной лаборатории». Не обманывайтесь! Это означает, что было занулено среднее значение этих полей; тем не менее электромагнитное поле как сущность все еще присутствует.

В частности, электромагнитное поле будет по-прежнему реагировать на токи зарядов внутри экранированной лаборатории, и оно все еще наполнено квантовыми флуктуациями, то есть виртуальными фотонами. Аналогичным образом средние значения электрических и магнитных полей в глубоком космосе равны нулю или почти равны, но сами поля простираются повсюду и поддерживают распространение световых лучей на сколь угодно большие расстояния. (Поле уничтожает фотон в одной точке, создает новый в следующей точке...) См. также: Квантовое поле.

Постоянная Планка

Физическая константа, которая играет центральную роль в квантовой теории. Она встречается, например, в соотношении E = h, связывающем энергию фотона с частотой света, который он представляет, или в соотношении p = h /, связывающем импульс фотона с длиной волны света.

Протон

Очень устойчивая комбинация кварков и глюонов. Когда-то считалось, что протоны и нейтроны являются фундаментальными частицами; теперь мы понимаем, что они представляют собой сложные объекты. Можно построить полезную модель атомных ядер, используя идею о том, что они являются связанной системой, состоящей из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу; нейтрон примерно на 0,2 % тяжелее. Протоны имеют электрический заряд e, равный по величине заряду электронов, но противоположный по знаку. Ядра атомов водорода являются одиночными протонами. Известно, что протоны живут по меньшей мере 1032 лет, что намного превышает время жизни Вселенной, однако единые теории предполагают, что их продолжительность жизни не может намного превышать существующий предел и для проверки этого предположения проводятся важные эксперименты.

РКТИ

Сокращенное название Релятивистского коллайдера тяжелых ионов. РКТИ находится на Лонг-Айленде, в Брукхейвенской национальной лаборатории. Столкновения на РКТИ в очень небольшом объеме и в течение очень коротких периодов времени воспроизводят экстремальные условия, подобные тем, которые имели место в самые ранние моменты Большого Взрыва.

Сверхпро-водник

Некоторые вещества при охлаждении до очень низких температур переходят в фазу, в которой их отклик на электрическое и магнитное поля приобретает качественно новые особенности. Их электрическое сопротивление исчезает, и они в значительной степени вытесняют магнитные поля (эффект Мейсснера). Мы говорим, что они становятся сверхпроводниками. Математическое описание электромагнитного поведения сверхпроводников показывает, что внутри сверхпроводников фотоны приобретают ненулевую массу.

W- и Z-бозоны, несмотря на то что во многом напоминают фотоны, — имеют спин 1 и реагируют на (слабые цветные) заряды, — имеют ненулевую массу. На первый взгляд, эта ненулевая масса исключила бы привлекательную идею о том, что W- и Z-бозоны, подобно фотонам, подчиняются уравнениям с локальной симметрией. Сверхпроводимость указывает путь вперед. Постулируя то, что пространство является сверхпроводником не для электрических зарядов, а для зарядов, которые имеют значение для W- и Z-бозонов, мы придаем этим частицам ненулевую массу, сохраняя при этом локальную симметрию основополагающих уравнений. Это центральная идея современной электрослабой теории, и она, кажется, очень хорошо описывает Природу. Более умозрительные идеи постулируют дополнительный слой сверхпроводимости Сетки, чтобы придать очень большие массы частицам, которые опосредуют кварк-лептонные переходы.

Сетка

Сущность, которую мы воспринимаем как пустое пространство. Наши глубочайшие физические теории показывают, что она очень высокоструктурирована; более того, она, по-видимому, является основной составляющей реальности. Сетке посвящена глава 8.

Сила

1. В физике Ньютона сила определяется как воздействие, которое при влиянии на тело вызывает его ускорение. Это определение было и остается полезным, поскольку во многих случаях силы оказываются простыми. Например, утверждение о том, что на изолированное тело не воздействуют никакие силы, эквивалентно первому закону движения Ньютона, в котором говорится, что изолированное тело движется с постоянной скоростью. 2. В современной фундаментальной физике, в частности в Центральной теории и ее унифицированных расширениях, старая концепция силы оказывается не очень полезной. До сих пор принято использовать такие выражения, как «сильная сила», «слабая сила» и т.д., однако между собой физики обычно используют более абстрактные выражения вроде «сильного взаимодействия». Как правило, в этой книге я использовал старую добрую англосаксонскую версию.