Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Специальная теория относительности важна не только сама по себе, но также и потому, что она ввела в науку новую сверхидею для создания гипотез и уточнения наших физических законов, которая оказалась очень плодотворной и успешной. Эта сверхидея заключается в том, что мы назвали симметрией, поэтически определенной как Изменение без Изменения. Два постулата специальной теории относительности очень хорошо соответствуют этому описанию: первый говорит нам, какой вид изменений рассматривать (а именно – преобразования Галилея), а второй сообщает, что они не меняют (а именно – скорость света).

Тема симметрии, или инвариантности, – Изменения без Изменения – много раз и с разными вариациями звучит в нашей медитации. Сначала она робкая и приглушенная, но затем становится все более яркой и усиливается, пока в конце концов не оказывается господствующей в нашем самом глубоком понимании Природы.

Спин

Spin

В английском языке глагол to spin означает «вращаться», но можно также сказать, что объект обладает вращением (has spin), если он вращается вокруг некоторой оси. Вращение, или спин, имеет то же значение и в квантовом мире, но это понятие становится более важным в основном по двум причинам.

• Многие частицы никогда не перестают вращаться! Для этих частиц вращательное движение вокруг их центра – один из аспектов спонтанной активности, которая так характерна для квантового мира. Электроны, протоны и нейтроны – все обладают этим свойством. В какой бы момент мы ни измеряли угловой момент вращения, его величина окажется равна одной второй, умноженной на приведенную постоянную Планка. Мы говорим, что эти частицы имеют спин ½ или являются частицами со спином ½.

• Многие частицы, в особенности электроны, действуют как небольшие магниты. Подобно Земле, они создают магнитные поля, структура которых согласована с направлением их вращения. Магнитное поле, связанное с одним-единственным электроном, довольно мало, но, если многие электроны выстроят свои оси вращения в одном направлении, их поля складываются. Магнетизм классических «магнитов» – по существу, стержней из железной руды – является результатом одинаковой ориентации полей вращающихся электронов, которые в них содержатся.

Спинорное представление

Spinor representation

Спиноры – своего рода усовершенствованная версия векторов. Они появляются в математическом описании спина электрона в уравнении Дирака как пространство свойств частиц вещества в схеме объединения SO (10) (Джорджи – Глэшоу), в общих чертах описанной в главе «Квантовая красота IV» и в нескольких других передовых направлениях физики. Описание математического аппарата спиноров далеко выходит за рамки этой книги, но я указал две легкодоступные ссылки в примечаниях в конце книги.

Спиральность

См. Четность.

Спонтанное нарушение симметрии

Spontaneous symmetry breaking

Между точным соблюдением симметрии и ее полным отсутствием существует промежуточная возможность, спонтанное нарушение симметрии, которое ощутимо присутствует в нашем описании мира.

Мы говорим, что наблюдается спонтанное нарушение системы уравнений, если:

• уравнения удовлетворяют симметрии, но устойчивые решения этих уравнений ей не удовлетворяют.

Таким образом находит оправдание наблюдаемая нехватка симметрии. Симметрия присутствует в уравнениях, но сами уравнения говорят нам о том, что мы не будем ее наблюдать!

Пример. В фундаментальных уравнениях, которые описывают кусок естественного магнита, любое направление в пространстве эквивалентно всем остальным. Но этот кусок представляет собой магнит, а в магните уже нельзя сказать, что все направления эквивалентны. Каждый магнит имеет полюса и может быть использован в качестве стрелки компаса. Объяснение того, как теряется (или «нарушается») вращательная симметрия, довольно простое, но глубокое. В магните существуют силы, которые стремятся выровнять спины электронов со спинами их соседей.

В ответ на действие этих сил все электроны должны выбрать общее направление, в котором им выстроиться. Силы, так же как и уравнения, которые описывают их, будут безразличны к выбору этого направления, но выбор должен быть сделан. Таким образом, устойчивые решения этих уравнений обладают меньшей симметрией, чем сами уравнения.

В нашей Главной теории слабого взаимодействия имеется вращательная симметрия между направлениями в слабом цветовом пространстве, которая спонтанно нарушается за счет существования заполняющего пространство поля Хиггса. Основная идея очень похожа на ту, которую мы только что рассмотрели, обсуждая обычный магнит. Так же, как фундаментальные уравнения для сил взаимодействия электронов побуждают спины соседних электронов выстраиваться в одном направлении, таким же образом фундаментальные уравнения побуждают поле Хиггса выравнивать свое направление в пространстве свойства слабого заряда между соседними точками пространства-времени. Общее направление должно быть выбрано, и, таким образом, симметрия вращения (в пространстве свойства слабого заряда) спонтанно нарушается.

Успех этих идей, предоставивших превосходное описание слабого взаимодействия, и предсказание существования частицы Хиггса поощряет нас и далее исследовать возможность того, что лежащая в основе всего симметрия уравнений нашего мира намного больше, чем та симметрия, которую мы наблюдаем в природе, рассматривая лежащие в основе еще более широкие группы симметрии.

Среда

Medium/media

Среда для нас – это что-то, заполняющее пространство^[114].

Таким образом, понятие среда может использоваться наравне с понятием флюида. На полях отметим, что «флюид» предполагает некий материал, части которого могут меняться местами друг с другом, как в потоках воздуха или воды, в то время как «среда» предполагает нечто более осязаемое, которое может колебаться, но имеет структурную целостность, как стекло или желе. Но среды, или флюиды, которые, согласно нашей Основной теории, составляют наиболее фундаментальную материальную основу мира, – такие как глюонный флюид и электронный флюид, настолько отличаются от воздуха, воды, стекла, желе или любой другой привычной нам жидкости или среды, что кажется глупым настаивать на любой одной из двух метафор.

Стандартная модель

См. Главная теория.

Стационарное состояние

Stationary state