Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Есть много примеров подобного рода, где мы используем числа для обозначения свойств и рассматриваем наборы чисел как координаты, чтобы определить пространство свойств. Пространства свойств, основанные на цветовых зарядах, играют центральную роль в наших Главных теориях.

Протоны наряду с нейтронами являются строительными блоками атомных ядер. Протоны имеют противоположный по отношению к электронам электрический заряд и весят примерно в две тысячи раз больше. Большая часть массы обычного вещества появляется за счет массы протонов и нейтронов, входящих в нее. Раньше думали, что протоны являются элементарными частицами, но сегодня мы знаем, что это сложные объекты, построенные из более элементарных кварков и глюонов.

Уничижительный термин для «Анализа и Синтеза». См. Анализ и Синтез.

Многие металлы и некоторые другие материалы проявляют качественно иное поведение, когда они охлаждены до температуры, близкой к абсолютному нулю. Наиболее существенно то, что их сопротивление протеканию электрического заряда резко падает до нуля. Говорят, что они проявляют сверхпроводимость и становятся сверхпроводниками.

Сверхпроводимость была обнаружена экспериментально Камерлинг-Оннесом в 1911 г. Много лет ее не удавалось объяснить теоретически. Прорыв случился в 1957 г., когда Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер предложили то, что мы теперь называем теорией сверхпроводимости БКШ. Их работа не только объяснила появление сверхпроводимости, но сделала это с использованием очень красивых и мощных идей, которые могли быть – и были – применены к другим задачам. В частности, они предвосхитили спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса.

В сверхпроводниках фотоны ведут себя так, будто у них есть ненулевая масса. Уравнения, которые описывают эту ситуацию, по сути такие же, как и уравнения, которые мы используем в Главной теории, чтобы придать ненулевую массу виконам в механизме Хиггса. Я думаю, что будет справедливо и поэтично сказать, что большой урок, который мы можем извлечь из открытия частицы Хиггса, состоит в том, что мы живем внутри космического сверхпроводника. (Но это сверхпроводимость для потока слабого заряда, а не электрического заряда.)

Частицы вещества в Главной теории – т. е. кварки и лептоны – имеют одну интересную особенность – трехкратное повторение. Говорят, что они образуют три семейства (по-русски их также называют поколениями). В каждом семействе насчитывается 16 частиц, образующих схожие структуры из сильных, слабых и электромагнитных зарядов, которые подробно описываются в основном тексте. Представители трех семейств перечислены в нижеследующей таблице.

По-другому, пользуясь геометрическим языком главы «Квантовая красота III», мы можем сказать, что каждое из трех семейств содержит шесть сущностей, занимающих в каждом случае одни и те же пространства свойств.

Переходы, связанные со слабым взаимодействием, которые превращают единицу желтого слабого заряда в единицу фиолетового слабого заряда, превращают (левый) u-кварк в (левый) d-кварк, как мы обсудили в основном тексте. Там я ссылался на некоторые сложности и здесь расскажу об этом подробнее. Сложность состоит в том, что переходы слабого цвета могут сопровождаться переходами между семействами. Таким образом, кроме u → d, мы имеем также u → s и u → b. Чтобы описать относительные вероятности таких переходов, необходимо ввести в Главную теорию новые параметры. Угол Кабиббо, например, является мерой того, как соотносятся вероятности второго и первого. Существует множество дополнительных переходов между кварками, которые нужно учесть (например, c → d), и еще больше, если вспомнить о лептонах. Чтобы описать их все в рамках Главной теории, необходимо ввести около дюжины новых параметров. Величины этих «углов смешивания» были измерены экспериментально, но нет никакой убедительной теории, объясняющей, почему они именно такие.

Ну и уж коли на то пошло, нет убедительной теории, которая бы объясняла, почему вообще Природа позволила себе это трехкратное повторение семейств.

В физике и в нашей медитации термин сила может употребляться двумя различными способами.

В ньютоновской механике сила – это мера влияния одного тела на другое. Сила, с которой действует тело, – это его способность вызывать ускорение других тел. См. Ускорение.

В другом варианте употребления (который часто встречается, но менее точен) мы говорим о силах Природы, имея в виду те механизмы, которые действуют в Природе. В нашей Главной теории мы выделяем в Природе четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, а также сильная и слабая сила. Также в этом случае часто говорят о взаимодействиях вместо сил (и следовательно, об электромагнитном взаимодействии, сильном взаимодействии и т. д.). Я решил повсюду использовать слово «сила», поскольку это звучит сильнее[113].

Под влиянием стержневого магнита железные опилки на листе бумаги образуют кривые линии, идущие от одного полюса магнита к другому, как изображено на илл. 35. Это красивое явление и другие подобные вдохновили воображение Фарадея. Он пришел к предположению, что эти линии существуют сами по себе, заранее, и железные опилки их лишь проявляют, а не создают. Эти интуитивные догадки привели его к новым экспериментальным открытиям. Максвелл развил эти результаты в точно сформулированные математические идеи. Современная физика с ее флюидами, заполняющими пространство, появилась из этих идей. Они вытеснили идею дальнодействия как модель фундаментального понимания устройства мира.

Сильное взаимодействие наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием – это один из четырех основных механизмов, через которые действует Природа.

Сильное взаимодействие – самая мощная сила в Природе. Оно отвечает за стабильность атомных ядер и управляет большей частью того, что происходит при столкновениях, которые изучаются на ускорителях высоких энергий, таких как Большой адронный коллайдер.

Вскоре после открытия атомных ядер в начале XX в. физики признали, что взаимодействия, известные к тому времени – гравитация и электромагнетизм, – не могли объяснить самые основные свойства ядер, начиная с их способности сохранять стабильность. Это привело к десятилетиям интенсивных исследований в ядерной физике высоких энергий, как экспериментальных, так и теоретических. Зрелый результат этой работы – Главная теория, подробно описанная в нашей основной медитации. В рамках Главной теории сильное взаимодействие понимают как проявление квантовой хромодинамики (КХД).

В английском языке вместо термина «сильное взаимодействие» (strong interaction) чаще используется выражение strong force (буквально «сильная сила»). Лишь в некоторых случаях, таких как обсуждение гравитационного влияния нейтронной звезды или черной дыры, приходится говорить о большой величине силы в буквальном смысле. Поскольку в русском языке выражение «сильная сила» практически не применяется, неоднозначности не возникает. См. Сила, взаимодействие.

В математике и математических науках мы говорим, что у объекта есть симметрия, если существуют преобразования, которые производят изменения или перемещают различные части объекта, оставляя объект в целом неизменным, или инвариантным. Такие преобразования называют преобразованиями симметрии.