Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Силовые линии

Lines of force

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

Strong force

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.

Симметрия, преобразования симметрии, группа симметрии

Symmetry/symmetry transformation/symmetry group

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.

Понятия симметрии и преобразований симметрии также применяются к системам уравнений. Мы говорим, что система уравнений имеет симметрию относительно некоторого преобразования, если преобразование изменяет величины, которые стоят в уравнениях (как правило, меняя их местами, или комбинируя их более сложными способами) без изменения смысла системы уравнений в целом.

Пример: уравнение x = y обладает симметрией относительно преобразования, которое меняет местами x и y, потому что преобразованное уравнение y = x имеет тот же самый смысл, что и исходное. Все множество преобразований, которые оставляют объект инвариантным, называют его группой симметрии.

Синтез

Synthesis

Процесс объединения простых компонентов или понятий для того, чтобы произвести более сложные структуры. См. Анализ и Синтез.

Скорость

Velocity

Интуитивно скорость определяется как быстрота изменения положения.

Таким образом, чтобы определить скорость частицы, мы рассматриваем ее смещение ∆x за малый интервал времени ∆t, берем частное от деления ∆x/∆t и рассматриваем его предельное значение при уменьшении и стремлении интервала ∆t к нулю. Это предельное значение, по определению, является скоростью.

См. Бесконечно малые, где обсуждаются некоторые фундаментальные вопросы, касающиеся этого определения.

Слабое взаимодействие

Weak force

Слабое взаимодействие наряду с гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием – это один из четырех основных механизмов, с помощью которых действует Природа.

Слабое взаимодействие ответственно за большое разнообразие процессов трансформации, включая некоторые формы ядерной радиоактивности, «горение» ядерного топлива внутри звезд и космологический и астрофизический синтез всех химических элементов (их ядер), начиная с протонов и нейтронов.

В рамках Главной теории слабое взаимодействие понимают как результат реакции частиц W и Z, так называемых виконов, на слабый цветовой заряд. Как и другие фундаментальные взаимодействия, слабое взаимодействие – проявление локальной симметрии.

Для объяснения особенностей слабого взаимодействия, в частности, ненулевой массы виконов, был предложен механизм Хиггса. Развитие этого подхода привело к открытию частицы Хиггса. Успех этих идей говорит нам о существовании поля Хиггса, которое пронизывает все пространство и изменяет поведение других частиц разнообразными способами.

В английском языке вместо термина «слабое взаимодействие» (weak interaction) чаще используется выражение weak force (буквально «слабая сила»). В буквальном смысле оно уместно, например, если вы приводите доводы против астрологии и говорите о влиянии на человеческие судьбы силы тяжести планеты или далекой звезды: «Это такая слабая сила, что она не может иметь никакого значения». Поскольку в русском языке выражение «слабая сила» практически не применяется, неоднозначности не возникает. См. Сила, взаимодействие.

Слагаемое Максвелла (Закон Максвелла)

Maxwell term (Maxwell's law)

Чтобы согласовать расхождения между динамическими законами для электрического и для магнитного поля в том виде, в каком они были тогда известны, Максвелл предположил, что должен существовать дополнительный эффект. Новый эффект, который я назвал законом Максвелла, состоит в том, что меняющиеся со временем электрические поля вызывают («создают») магнитные поля. Это своего рода комплементарное дополнение к закону Фарадея, который утверждает, что меняющиеся со временем магнитные поля вызывают появление электрических полей. Закон Максвелла добавил другой способ наведения магнитных полей к уже известному – с помощью электрических токов (Закон Ампера). Полное уравнение, которое получается при добавлении нового слагаемого Максвелла к закону Ампера, известно как закон Ампера – Максвелла.