Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Антропный аргумент в первом приближении имеет следующую форму:

«Мир должен быть таким, какой он есть, чтобы я мог существовать».

Перед тем как обсуждать более сложные тонкости, давайте рассмотрим антропный принцип в этой самой простой форме.

Важно разделять два аспекта этого базового антропного аргумента: его истинность и его объяснительную силу. (См. связанное с этим обсуждение в статье Непротиворечивость и противоречие.) В зависимости от того, насколько узко определено понятие «Я», в антропном принципе может быть немалая доля тривиальной истины. Если «Я» подразумевает углеродную форму жизни с человеческой физиологией, которая жила подобно тому, как живу я (что, помимо прочего, включает чтение научных книг, в которых делаются сильные, конкретные утверждения об окружающем мире), тогда, пожалуй, конечно, законы физики, как мы их знаем, не говоря уже о многих других фактах о планете Земля, истории Европы, цвете глаз моих детей и т. д., не могут сильно отличаться от тех, что есть, так как эти отличия вскоре исключат мое существование. Так что базовый антропный аргумент, если воспринимать его буквально, верен. Но этот истинный аргумент имеет очень небольшую объяснительную силу, в основном потому, что существование «меня» – это такое всеобъемлющее предположение, включающее все, что я испытал или когда-либо испытаю, что оно не оставляет ничего, что нужно было бы еще объяснять!

Более сложные версии антропного аргумента должны основываться на менее жестких определениях «Я». Мы можем, например, потребовать, чтобы мир с его основными законами и историей давал возможность появления какому-то виду разумных или обладающих сознанием наблюдателей. Если бы это было не так, то его нельзя было бы наблюдать – да и черт бы с ним! Однако очень сложно определить, что имеется в виду под разумными наблюдателями, а также очень сложно понять, после того как вы определились с формулировкой, какого рода законы и история обуславливают появление разумных наблюдателей. Мне трудно представить, что такие размытые, скользкие идеи приведут нас к значительной объяснительной силе.

Примечательно, что самые глубокие достижения в понимании мира, такие как Главная теория, включают в себя такие концептуальные понятия, как относительность, локальная симметрия и основы квантовой теории, которые абстрактны по форме и универсальны по возможности применения. Эти принципы совсем не выглядят похожими на антропный принцип! Очевидно, что в мире происходят вещи, которые выходят за рамки его желания произвести «меня».

В целом антропные аргументы по своей природе смещают центр дискуссии от объяснения к допущению. Так как они компрометируют объяснительную силу, их в принципе следует избегать. Но в подходящих, очень специальных обстоятельствах аргументы в духе антропных могут быть одновременно правомерными и полезными[91]. Для ознакомления с примерами, которые могут оказаться интересными, см. Темная энергия, Темная материя.

Существует шесть различных видов, или ароматов, кварков. В порядке возрастания массы они обозначаются u (от английского up – верхний), d (down – нижний), s (strange – странный), c (charm – очарованный), b (bottom или beauty – прелестный), t (top – топ-кварк). Каждый из них «обитает» в трехмерном цветовом пространстве свойств, и (следовательно) все они ведут себя одинаково, если говорить о сильном взаимодействии. Кварки u, c и t имеют электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, тогда как d, s и b имеют электрический заряд, равный –1/3 заряда протона. Они по-разному и немного сложно ведут себя относительно слабого взаимодействия – см. Семейство.

Глубокое значение этого избытка видов кварков если и существует, то на настоящий момент неясно. Из всех кварков только u и d играют большую роль в современном природном мире, поскольку обильно представлены в протонах и нейтронах.

Также есть аналогичный избыток лептонов; в этом случае говорят о различных ароматах лептонов.

Сильное взаимодействие между двумя кварками изменяется под действием непрерывной спонтанной активности квантовых полей, которыми пронизано пространство. Сила взаимодействия ослабевает при сближении кварков и увеличивается при их удалении друг от друга. Это называется асимптотической свободой.

У асимптотической свободы есть множество следствий и применений, которые подробно изложены в тексте.

См. также Конфайнмент и Перенормировка (ренормализационная группа.)

Атомное число ядра – это число протонов, которое оно содержит. Атомное число ядра определяет его электрический заряд и, таким образом, его влияние на электроны, а следовательно, его роль в химии тех атомов и молекул, где оно фигурирует. Ядра, которые имеют одинаковые атомные числа, но разное число нейтронов, называются изотопами одного и того же химического элемента.

Пример: ядра углерода-12 (12C) содержат 6 протонов и 6 нейтронов, в то время как ядра углерода-14 (14C) содержат 6 протонов и 8 нейтронов. У этих ядер практически одинаковые химические свойства, поэтому и те и другие называются «углеродом», – но разная масса. Ядра углерода-14 нестабильны, и их распады можно использовать для датирования биологических образцов. (Когда организм умирает, он перестает получать извне новый углерод; следовательно, отношение количества углерода-14 к количеству углерода-12 в останках постепенно уменьшается. В атмосфере углерод-14 возобновляется благодаря столкновениям с космическими лучами.)

См. Адрон.

См. Стоячая волна и бегущая волна.

В современной физике и математике мы определяем такие величины, как скорость и ускорение, с помощью операции взятия предела. Чтобы определить скорость частицы, мы рассматриваем перемещение за короткий промежуток времени, берем отношение и рассматриваем его предельное значение, беря все меньшие и меньшие интервалы. Это предельное значение по определению является скоростью.

В ранний период развития исчисления у его основоположников не было прочных оснований и четких определений. Они руководствовались интуицией и догадками. Лейбницу, в частности, очень нравилась идея о том, что вместо взятия предела можно рассматривать просто «бесконечно малое» приращение времени и соответствующее ему перемещение и брать отношение этих бесконечно малых. Однако ни Лейбниц, ни его последователи не сформулировали эту идею достаточно отчетливо. Она лежала без дела и была практически забыта многие десятилетия, пока математики XX в. не показали, что ее можно строго описать несколькими способами.

Идея о бесконечно малых похожа по духу – хотя и противоположна по направлению – на идею, приводящую нас к бесконечно удаленным точкам в проективной геометрии. В обоих случаях мы заменяем процедуру взятия предела конечными объектами.

Бесконечно малые предоставляют нам новый способ воплощения Идеального. Они пока еще не сыграли значительной роли в описании физического мира, но являются красивой идеей и поэтому заслуживают ее сыграть.

Если мы встанем вертикально на плоской поверхности и посмотрим на две параллельные линии на этой плоскости, простирающиеся вдаль от нас, то увидим, что кажется, будто они сходятся, приближаясь к горизонту. Если мы мысленно нарисуем то, что видим, или если спроецируем геометрически эти линии на холст, естественно будет добавить как элемент изображения ограничивающую точку, где они действительно сходятся. Это будет бесконечно удаленная точка, или точка схода. Мы изображаем, углубляем и размышляем о приложениях этой конструкции в основном тексте.

Элементарные частицы делятся на два обширных класса: бозоны и фермионы.