Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Электрический заряд всегда является кратным заряду протона. Электроны по отношению к протонам несут равный, но противоположный по знаку заряд. (Теоретически кварки обладают дробным зарядом относительно заряда протона. Однако кварки не появляются в виде отдельных частиц, а только в составе адронов. Электрические заряды адронов всегда являются кратными заряду протона.)

Величина электрического поля в любой точке определяется отношением электрической силы, которую испытывает заряженная частица, расположенная в этой точке, к электрическому заряду. Сила – это векторная величина, поэтому электрическое поле – векторное поле.

Это определение широко используется в молекулярной биологии, химии, электротехнике и других прикладных науках. Но в приложении к фундаментальной физике, где квантовые флуктуации становятся значительными, оно становится проблематичным, поскольку и силы, и положения частиц флуктуируют. Его можно оставить как приближенное представление, произведя тем или иным способом усреднение по времени и пространству.

В фундаментальной физике оказался полезнее другой подход, который избегает этих трудностей. Мы не настаиваем, что понятия, которые мы используем, соответствуют на всех этапах наблюдаемым величинам. Мы хотим, чтобы все наблюдаемые величины появлялись где-то в уравнениях, но мы можем считать – и мы считаем – удобным включить туда что-то другое кроме них! (См., в частности, статью о перенормировке.)

В таком ключе я определяю электрический флюид как заполняющее пространство активное нечто, появляющееся в уравнениях Максвелла.

Необходимость разделять понятия электрического поля и электрического флюида становится кристально ясной, если мы подумаем, как должны интерпретировать утверждение «Электрическое поле в межгалактическом пространстве исчезает». Это утверждение имеет смысл (и приближенно верно), если принять наше определение электрического поля через средние значения сил, которые оно создает. Однако будет совершенно неверно сказать, что квантово-механическая сущность, которая фигурирует в уравнениях Максвелла и проявляет спонтанную активность, где-либо исчезает. Поэтому обычная терминология, которая не различает эти два понятия – сущность саму по себе и ее среднее значение, – порочна в своей основе. (Этот порок, похоже, не слишком волнует большинство физиков, но он беспокоит меня!) Мы решаем эту проблему, называя саму сущность электрическим флюидом, а ее среднее значение электрическим полем.

(С учетом этого, если нет опасности запутаться, я буду иногда использовать термин «электрическое поле» как для сущности, так и для ее среднего значения. Вредные привычки изживаются с трудом.)

См. также Квантовый флюид.

«Электричество» – это общий термин, который используется для обозначения широкого спектра явлений, связанных с влиянием и поведением электрических зарядов.

Эти два термина взаимозаменяемы и используются для обозначения раздела науки, который описывает электричество, магнетизм и связь между ними.

Еще со времен работ Фарадея и Максвелла люди поняли, что электричество и магнетизм неразрывно связаны друг с другом. Меняющиеся во времени магнитные поля создают электрические поля, согласно закону Фарадея, а меняющиеся во времени электрические поля создают магнитные поля, согласно закону Максвелла (см. слагаемое Максвелла). Электромагнитные волны, возникающие из взаимосвязи этих законов, содержат как электрические, так и магнитные поля.

Из специальной теории относительности мы узнаем, что преобразования Галилея преобразуют электрические и магнитные поля (и флюиды) друг в друга.

Когда мы объединяем закон Фарадея, по которому меняющиеся магнитные поля создают электрические поля, с законом Максвелла, по которому меняющиеся электрические поля создают магнитные поля, мы обнаруживаем возможность самоподдерживающейся активности в этих полях. Эта самоподдерживающаяся активность принимает форму поперечных волн, которые перемещаются в пространстве со скоростью света. Мы называем эти волны электромагнитными волнами.

Максвелл открыл возможность существования электромагнитных волн и рассчитал их скорость. Обнаружив, что она совпадает со скоростью света, он предположил, что свет состоит из электромагнитных волн. По сей день это остается нашим фундаментальным описанием света.

Видимый свет соответствует только небольшой полосе электромагнитного спектра, который включает электромагнитные волны со всеми возможными длинами волн. Сейчас мы знаем, что не только свет, но также радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, гамма-лучи – все являются электромагнитными волнами с разными длинами волн и частотой.

См. Цвет (света).

Поскольку электрическое и магнитное поля оказывают большое влияние друг на друга, удобно и справедливо рассматривать их как единое целое. Электромагнитный флюид – это просто флюид, двумя компонентами которого являются электрический и магнитный флюиды. Электромагнитное поле в любой точке равно среднему значению флюида в этой точке.

Электроны – одна из составляющих частей обычного вещества. Впервые явным образом их наблюдал Дж. Томсон в 1897 г.

В Главной теории электроны – элементарные частицы, и их определяют через уравнения, которым они удовлетворяют.

В обычном веществе электроны несут весь отрицательный электрический заряд. Хотя они дают совсем небольшой вклад в массу обычного вещества, электроны играют преобладающую роль в химии и структуре материалов. Контролируемое управление электронами – другими словами, электроника, в широком понимании этого слова – это основа большой части современной технологической цивилизации.

Электронный флюид – это заполняющий мировое пространство активный квантовый флюид или среда. Согласно квантовой теории, используемой в нашей Главной теории для описания мира, электроны и их античастицы – антиэлектроны, или позитроны – являются возмущениями электронного флюида. Они похожи в таком описании на волны на воде, которые в случае отсутствия препятствий могут сохраняться и передвигаться (или, как мы иногда говорим, «распространяться») долгое время и на большие расстояния.

Существуют похожие флюиды, связанные с каждым из видов элементарных частиц. (В физической литературе они часто называются квантовыми полями.) Эти заполняющие пространство флюиды сосуществуют – присутствие одного не исключает присутствие любого другого. Динамические уравнения Главной теории описывают, как они влияют друг на друга.

Как и многие идеи, которые мы используем сейчас для описания вещества, наше современное понимание электронов основано на понятиях, впервые появившихся в процессе изучения электромагнетизма и света. Электронный флюид очень похож на электромагнитный флюид, и сейчас мы рассматриваем электроны как наименьшие возмущения в электронном флюиде. Они являются его квантами, так же как фотоны для электромагнитного флюида.

Мы называем частицу элементарной, если она подчиняется простым уравнениям. Согласно Главной теории, кварки, лептоны, фотоны, виконы, цветные глюоны, гравитоны и частица Хиггса – элементарные частицы.