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

Темная энергия

Астрономические наблюдения свидетельствуют, что большая часть массы Вселенной, около 70 % от ее общей массы, распределена равномерно и совершенно прозрачна. Другие независимые наблюдения указывают на ускоряющееся расширение Вселенной, которое мы можем приписать отрицательному давлению. Величины и относительный знак этих эффектов согласуются с хорошо темперированным уравнением. Таким образом, сделанные до сих пор наблюдения могут быть описаны с помощью космологического члена. Тем не менее логически возможно, что будущие наблюдения покажут: плотность или давление не являются постоянными или

не связаны хорошо темперированным уравнением. Термин «темная энергия» был введен для того, чтобы избежать предубеждения относительно этих вопросов.

Теория суперструн

Совокупность идей для расширения законов физики. Эта теория вдохновила блестящих ученых на блестящую работу, результатом которой стали важные приложения к чистой математике. В настоящее время теория суперструн не предоставляет уравнений, описывающих конкретные природные явления. В частности, Центральная теория, которая точно описывает столь многое в физическом мире, не является приближением к теории суперструн.

Идеи теории суперструн не обязательно являются несовместимыми с Центральной теорией или с идеями объединения, изложенными в этой книге. Однако обсуждаемые здесь идеи исторически не возникли из теории суперструн, а также не были выведены из нее. Их происхождение, как я подробно объяснил, является отчасти эмпирическим, а отчасти математическим/эстетическим.

Узел

Пространственно-временная точка, в которой взаимодействуют частицы (реальные или виртуальные). В диаграммах Фейнмана узлы — это места, где встречаются три или более линий. Теории взаимодействий частиц подчиняются правилам, описывающим возможные типы узлов, а также связанным с ними математическим факторам. В технической литературе узлы обычно называются вершинами. См. также: Диаграммы Фейнмана, Вершина.

Уравнение Дирака

Предложенное Полем Дираком в 1928 году уравнение является модификацией уравнения Шрёдингера для квантово-механической волновой функции электронов. Оно предназначено для согласования квантовой механики с буст-симметрией (то есть со специальной теорией относительности). Уравнение Дирака, грубо говоря, в четыре раза больше уравнения Шрёдингера, точнее, это набор из четырех взаимосвязанных уравнений,

управляющих четырьмя волновыми функциями. Четыре компонента уравнения Дирака автоматически включают в себя спин (направленный вверх или вниз) как для частиц, так и для античастиц, что соответствует четырем компонентам. Несколько измененное уравнение Дирака также используется для описания кварков и нейтрино. В современной физике мы интерпретируем уравнение Дирака как уравнение для поля, которое рождает и уничтожает электроны (или, что то же самое, уничтожает и рождает позитроны), а не как уравнение для волновой функции отдельных частиц.

Уравнение Шредингера

Приближенное уравнение для волновой функции электрона. Уравнение Шредингера не удовлетворяет буст-симметрии, то есть не согласуется со специальной теорией относительности. Однако это уравнение дает хорошее описание электронов, которые движутся не слишком быстро, и с ними легче работать, чем в случае с более точным уравнением Дирака. Уравнение Шредингера является основой для большинства практических работ в квантовой химии и физике твердого тела.

Уравнения Максвелла

Система уравнений, определяющих поведение электрического и магнитного полей, включая их отклик на электрические заряды и токи. Максвелл вывел весь набор уравнений в 1864 году, систематизировав все известные в то время взаимосвязи электричества, магнетизма, заряда и тока; кроме того, он постулировал новый эффект, который сделал систему совместимой с сохранением заряда. Исходная формулировка Максвелла была несколько запутанной, поэтому основополагающая глубокая простота и симметрия уравнений не была очевидной. Позднее физики, в особенности Хевисайд, Герц и Лоренц, доработали уравнения Максвелла и предоставили нам ту их версию, которую мы знаем сегодня. Эти уравнения остались незатронутыми квантовой революцией, несмотря на развитие интерпретации электрических и магнитных полей. См. также: Поле.

Уравнения Янга — Миллса

Обобщения уравнений Максвелла, которые поддерживают симметрию среди нескольких видов зарядов. Грубо говоря, уравнения Янга — Миллса — это уравнения Максвелла на стероидах. Современные теории сильного и электрослабого взаимодействия в значительной степени основаны на уравнениях Янга — Миллса для групп симметрии SU(3) и SU(2) × U(1) соответственно.

Ускорение

Темп изменения скорости. Таким образом, ускорение является скоростью изменения скорости изменения положения. Центральным открытием Ньютона в механике было то, что законы, регулирующие ускорение, часто являются простыми.

Фермион

Квантовая теория, а точнее, квантовая теория поля, придающая новый смысл понятию о двух абсолютно одинаковых или неразличимых объектах. Если у вас есть, скажем, два электрона в состояниях A и B в данный момент и два электрона в состояниях A' и B' в более поздний момент, то нельзя сказать, что имел место переход A A', B B' или A B', B A'. Необходимо учитывать обе возможности. В случае бозонов амплитуды складываются, в случае фермионов — вычитаются. Электроны являются фермионами. Следствием этого выступает принцип запрета Паули: два электрона не могут занимать одно и то же состояние, поскольку в этом случае их амплитуды полностью зануляются. Принцип запрета Паули индуцирует эффективное отталкивание между электронами (квантово-статистическое отталкивание), которое в значительной степени отвечает за то, что разные электроны в атомах занимают разные состояния. В свою очередь, это в значительной степени обусловливает тот факт, что химия является обширным и сложным предметом. Не только электроны, но все лептоны и кварки, а также их античастицы являются фермионами. Это же касается протонов и нейтронов, что объясняет, почему ядерная химия представляет собой такой же обширный и сложный предмет. Мы часто говорим,