Фрэнк Вильчек - Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Эффект, который, если смотреть со стороны, проявляется как замедление течения времени в движущейся системе. Замедление времени является следствием специальной теории относительности.

Различные компоненты Центральной теории основаны на общих принципах — квантовой механике, относительности и локальной симметрии, однако в рамках Центральной теории они остаются разделенными и отличными друг от друга. Существуют отдельные преобразования симметрии для цветных зарядов КХД, слабых цветных зарядов стандартной электрослабой теории и гиперзаряда. При этих преобразованиях кварки и лептоны делятся на шесть не связанных между собой классов (на самом деле на 18, учитывая наличие трех ароматов). Вся эта структура побуждает нас рассмотреть возможность большей, всеохватывающей симметрии. Изучив математические возможности, можно обнаружить, что многие вещи вписываются в нее довольно хорошо. Относительно небольшое расширение уравнений позволяет рассматривать все известные симметрии как части удовлетворяющего целого, а также сводить вместе разрозненные кварки и лептоны. Дополнительным преимуществом является то, что гравитация, которая казалась безнадежно слабее других фундаментальных сил, также находит свое место. Вероятно, для количественного подтверждения идей мы также должны включить суперсимметрию. Расширенные уравнения предсказывают существование многих новых частиц и явлений. Как говорилось в главах 17–21, эти теории представлены на суд присяжных и некоторые приговоры должны быть оглашены уже в скором будущем.

Величина сохраняется, если ее значение для изолированной системы не меняется со временем. Заряд, энергия и импульс являются важными примерами сохраняющихся величин. Законы сохранения чрезвычайно важны, поскольку они обеспечивают устойчивые ориентиры среди непрекращающихся колебаний квантовой Сетки.

В электродинамике заряд представляет собой физическое свойство, на которое реагируют электрические и магнитные поля (магнитные поля реагируют только на движущиеся заряды). В ее квантовой версии, КЭД, мы можем просто сказать, что заряд — это то, о чем заботятся фотоны (они обеспечивают взаимодействие зарядов). Заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Частицы с одинаковым электрическим зарядом (обе заряжены положительно или обе заряжены отрицательно) отталкиваются, в то время как частицы с противоположными зарядами притягиваются. Важным свойством заряда является то, что он сохраняется. Каждый вид фундаментальной частицы несет некоторый заряд, в том числе нулевой; заряд является стабильной характеристикой частиц соответствующего типа. Например, все электроны имеют одинаковое количество заряда, обычно обозначаемое −e (сбивает с толку то, что некоторые авторы используют обозначение e без знака «минус»; насколько мне известно, соглашение по этому поводу не достигнуто). Протоны обладают зарядом e , противоположным заряду электронов. Полный заряд системы — это просто сумма зарядов всех ее элементов. Таким образом, атомы, которые содержат равное количество протонов и электронов, имеют в целом нулевой заряд. В теории сильного взаимодействия центральную роль играют три дополнительных вида зарядов, называемых цветными зарядами или просто цветами. Цветные заряды имеют схожие свойства с электрическим зарядом, например, они сохраняются. В КХД взаимодействие цветных зарядов обеспечивают глюоны. См. также: Поле, Электродинамика, Цвет, Хромодинамика.

Концептуальное следствие асимптотической свободы. Эффективный цветной заряд данного источника уменьшается с увеличением расстояния. Ненулевое конечное значение заряда на ненулевом расстоянии соответствует нулевому в пределе нулевого расстояния. Таким образом, точечный источник создает заряд, не имея заряда. Это трюк, достойный Чеширского Кота.

Центральное понятие в физике. Первоначальной и наиболее очевидной формой импульса является механический импульс, связанный с движением частиц. В дорелятивистской механике импульс тела определялся путем умножения его массы на скорость. Ньютон назвал импульс «количеством движения», и он появляется в его втором законе: скорость изменения импульса тела равна действующей на него силе. В специальной теории относительности импульс тесно связан с энергией. При буст-преобразованиях энергия и импульс смешиваются друг с другом, подобно времени и пространству. Совокупный импульс изолированной системы сохраняется.

В современных физических теориях импульс выступает в качестве первичного понятия на том же основании, что и пространство, с которым он глубоко связан. Например, расстояние D , необходимое для прохождения пространственно-периодических электрических возмущений, связанных с фотоном, через один полный цикл, соотносится с импульсом фотона P как PD = h , где h — постоянная Планка. В рамках этих теорий сохранение импульса следует из симметрии уравнений относительно пространственной трансляции, или, выражаясь простым языком, из того факта, что законы везде одинаковы. Ср. с Энергией.

См.: Локальная симметрия.

Заполняющий пространство объект, который подчиняется законам квантовой теории. Квантовые поля — это законные «дети» от «брака» между квантовой механикой и специальной теорией относительности. Квантовые поля отличаются от классических полей тем, что они проявляют спонтанное поведение, также известное под названием квантовых флуктуаций или виртуальных частиц, все время и повсеместно. Центральная теория, которая объединяет наше лучшее актуальное понимание фундаментальных процессов, формулируется в терминах квантовых полей. Частицы проявляются в качестве вторичных последствий; они представляют собой локализованные возмущения в первичных объектах, то есть в квантовых полях.

К общим последствиям квантовой теории поля, которые не вытекают из квантовой механики или классической теории поля в отдельности, относятся: существование типов частиц, являющихся одинаковыми повсюду и во все времена (например, все электроны имеют одинаковые свойства); существование квантовой статистики (см.: Бозон, Фермион); существование античастиц; неизбежная ассоциация частиц с силами (например, из существования электрических и магнитных сил можно вывести фотоны); вездесущность преобразования частиц (квантовые поля создают и уничтожают частицы); необходимость простоты и высокой симметрии для обеспечения согласованности законов взаимодействия; и асимптотическая свобода (см.: Асимптотическая свобода). Все эти следствия квантовой теории поля являются важными аспектами физической реальности, как мы ее воспринимаем.