Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Объединение связанных идей в согласованное целое – это аспект экономии мысли. Другой, дополнительный аспект объединения – снятие противоречий между кажущимися противоположностями. Примиряя противоположности, мы рассматриваем их в качестве взаимодополняющих аспектов лежащего в их основе единого целого.

Наш Вопрос ставит трудную задачу объединить красоту и физическое воплощение, или Идеальное и Реальное.

Объединение, как в его аспекте соединения связанных идей, так и в аспекте примирения кажущихся противоположностей, было главной чертой во многих знаковых достижениях физики:

• Систематическое использование координат, которое было впервые введено Рене Декартом (1596–1650) в его La Géométrie 1637 г., объединившей алгебру и геометрию.

• Закон всемирного тяготения Ньютона и его законы движения объединили астрономию и земную физику. Наблюдения Галилея с помощью телескопа, которые открыли (среди прочего) гористый ландшафт нашей Луны и спутниковую систему Юпитера, стали мощными воплощениями этого объединения.

• Уравнения Максвелла для электромагнетизма объединили описание электричества и магнетизма. Эти же уравнения также дали нам описание света на основе электромагнетизма, собрав вместе все оптические явления в этом объединении.

• Специальная теория относительности Эйнштейна принесла с собой преобразования симметрии, которые смешивают пространство и время, позволяя нам видеть их как два аспекта объединенного пространства-времени.

• Электромагнитный флюид Фарадея и Максвелла и метрический флюид Эйнштейна, упраздняя Пустоту, объединили пространство-время и материю.

• Понятие квантов квантового флюида, типичными представителями которых являются фотоны электромагнитного излучения (света), объединило описание корпускулярных и волновых аспектов их физического поведения.

На переднем крае современной физики видны дразнящие указания на то, что скоро могут произойти новые объединения.

• Все разделы нашей Главной теории основаны на локальной симметрии, но преобразования, предусмотренные в наших теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, совершаются независимо в пространствах свойств, в то время как преобразования, относящиеся к нашей теории гравитационного взаимодействия, совершаются в пространстве-времени. Мы ищем более всеобъемлющую локальную симметрию, которая сделает из них единое целое.

С помощью суперсимметрии мы могли бы объединить вещество и взаимодействие.

Именно эти идеи находятся в центре внимания в главе «Квантовая красота IV».

«Обычная материя» – это удобный термин, который я использую, говоря о материи, состоящей из кварков, цветных глюонов, электронов и фотонов[110]. Обычная материя – доминирующая форма материи на Земле и в ее непосредственном окружении. Это тот вид материи, из которой сделаны мы сами и которую мы изучаем в химии, биологии, материаловедении, всех инженерных науках и почти всей астрофизике. Обычную материю следует отличать от темной энергии и темной материи.

Понятие орбиты планеты, вращающейся вокруг нашего Солнца, или орбиты искусственного спутника, вращающегося вокруг Земли, всем понятно и не требует здесь никакого специального комментария. Это, в сущности, последовательность положений, которые тело занимает в пространстве с течением времени, собранная в кривую.

Орбиталь, как она понимается в квантовой физике и химии, – это волновая функция стационарного состояния. Мы говорим, что электрон «занимает орбиталь», когда состояние этого электрона описывается волновой функцией, связанной с этой орбиталью. Термин «орбиталь» является пережитком модели атома Бора, в которой устойчивые состояния были связаны с определенными классическими орбитами.

В англоязычной физике слово «относительность» обычно является отсылкой к одной или сразу обеим теориям Эйнштейна, названия которых включают это слово, т. е. к Специальной или Общей теории относительности. Какая из двух подразумевается, должно быть ясно из контекста.

В нашей медитации мы подчеркиваем, что обе теории относительности по сути являются утверждениями о симметрии в нашем точно определенном смысле. Они утверждают, что мы можем совершить преобразования над величинами, которые фигурируют в законах физики, не изменив содержание этих законов – т. е. это Изменение без Изменения. Само слово «относительность» делает упор на аспект «изменения», но оставляет аспект «без изменения» – т. е. аспект инвариантности, важного дополнения к относительности – никак не озвученным. Эта случайность имела несчастье склонить некоторых людей к тому, чтобы предполагать и даже утверждать нелепости наподобие этой: «Эйнштейн учил нас, что все относительно». Он этому не учил, и это неверно.

Очарованный кварк, обозначаемый как c, – член второго семейства частиц материи. Очарованные кварки очень нестабильны, и их роль в нашем сегодняшнем мире очень невелика. Очарованные кварки были открыты в 1974 г., и их экспериментальное изучение весьма способствовало становлению Главной теории.

Квантовые флюиды лежат в самой основе нашей Главной теории. Они проявляют спонтанную активность, или способность к квантовым флуктуациям, которые в целом становятся все сильнее на коротких расстояниях. Эти непрерывные колебания пронизывают пространство и изменяют поведение, которое материя имела бы в их отсутствии. Расчет таких изменений называют перенормировкой.

Когда мы изучаем свойства частиц более пристально, двигаясь к более высоким энергиям или более коротким расстояниям или, как мы говорим, используя более высокое разрешение, мы меньше чувствуем влияние более плавных, слабых квантовых флуктуаций. Мы приближаемся к наблюдению «обнаженных» частиц. Ренормализационная группа – это математический аппарат для того, чтобы установить количественные связи между свойствами частицы, когда мы наблюдаем ее в различных разрешениях.

Асимптотическая свобода в сильном взаимодействии и количественное исследование объединения, которые обсуждаются в главе «Квантовая красота IV», являются хорошими примерами применения ренормализационной группы.

Периодический процесс – это такой процесс, который повторяется. Обычно термин относится к повторению во времени, хотя в научной литературе он нередко используется и для повторения в пространстве. Период процесса, периодического во времени, – это количество времени, которое проходит между повторениями. См. также Частота.

См. Частота.

Периодическая таблица химических элементов[111] – это содержательное и информативное геометрическое расположение списка химических элементов, в котором столбцы содержат элементы со сходными химическими свойствами. В каждом столбце атомные номера и атомные веса увеличиваются в направлении сверху вниз; в каждой строке атомные номера и атомные веса увеличиваются, когда мы движемся слева направо. В самой развернутой версии периодической таблицы атомный номер увеличивается на единицу при переходе в соседнюю справа клетку, а также когда мы переходим из самой правой клетки ряда в крайнюю левую клетку рядом ниже. (Есть много вариантов представления таблицы. Зачастую, например, выделяют редкоземельные элементы и актиноиды в отдельные подтаблицы.)

Квантовая механика объясняет структуру периодической таблицы теоретически, как следствие уравнения Шрёдингера. Это великолепный пример соответствия