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

Легко опознаваемая комбинация кварков и глюонов, а также важный компонент обычной материи. Отдельные нейтроны являются неустойчивыми; они распадаются на протон, электрон и электронное антинейтрино со временем жизни около 15 минут. Тем не менее нейтроны, связанные в ядра, могут быть стабильными. Ср. с Протоном.

Теория гравитации Эйнштейна, основанная на идее искривленного пространства-времени, или, иначе говоря, на метрическом поле. В полевой формулировке общая теория относительности в широком смысле напоминает электромагнетизм. Но, в то время как электромагнетизм основан на отклике электрических и магнитных полей на заряды и токи, общая теория относительности основана на отклике метрического поля на энергию и импульс. См. также: Метрическое поле.

Физическое вещество, изучаемое в биологии, химии, материаловедении и технике, а также в большей части астрофизики. Это вещество, из которого состоят люди, их домашние животные и машины. Обычное вещество состоит из u − и d −кварков, электронов, глюонов и фотонов. У нас есть точная и удивительно полная теория, описывающая обычное вещество: Центральная теория.

Единицы измерения длины, массы и времени, полученные на основе значений величин, которые присутствуют в физических законах, а не на основе эталонных объектов. Таким образом, не нужен ни стандартизированный эталон метра (или королевская конечность) для сравнения длин, ни вращающаяся Земля для отслеживания времени, ни эталон килограмма. Вместо этого планковские единицы измерения создаются путем возведения в степень и деления скорости света (c) , постоянной Планка (h) и постоянной Ньютона (G) , которая фигурирует в уравнениях для гравитации. Единицы Планка не используются в практической работе: планковские единицы длины и времени абсурдно малы; планковская единица массы абсурдно велика в масштабах атома, но очень мала в человеческих масштабах. Тем не менее планковские единицы имеют большую теоретическую важность. Они ставят задачу вычисления таких чисто числовых величин, как масса протонов в единицах Планка (поскольку вычислить массу стандартного килограмма невозможно, «проблема» вычисления массы протона в килограммах является плохо обусловленной).

Если экстраполировать существующие законы физики далеко за пределы тех масштабов, в которых они были протестированы, мы обнаружим, что квантовые флуктуации в метрическом поле во временных и пространственных масштабах, меньших планковской длины и времени, настолько важны по сравнению со своим средним значением, что практическое значение длины и времени теряет смысл. В этой книге приводятся важные указания на объединение различных сил природы, в частности на то, что их величины становятся равными, когда они измеряются в планковских единицах в масштабе планковской длины.

Сущность, заполняющая пространство. Полевая концепция появилась в физике в XIX веке благодаря работе Фарадея и Максвелла, посвященной электричеству и магнетизму. Они обнаружили, что законы электричества и магнетизма можно сформулировать проще всего, если ввести идею о существовании невидимых электрических и магнитных полей, заполняющих все пространство. Сила, оказывающая влияние на электрический заряд в точке, дает меру силы электрического поля в этой точке; однако в концепции Фарадея — Максвелла поле существует вне зависимости от существования заряженной частицы, чувствительной к нему. Таким образом, поля живут своей собственной жизнью. Плодотворность этой концепции проявилась очень скоро, когда Максвелл обнаружил, что самовосстанавливающиеся возмущения в электрическом и магнитном полях можно интерпретировать как свет, не ссылаясь на какие-либо материальные заряды или токи.

В квантовой версии электродинамики электромагнитные поля рождают и уничтожают фотоны. В более общем смысле виды возбуждений, которые мы воспринимаем как частицы (электроны, кварки, глюоны и т. д.), создаются и уничтожаются различными полями (электронным полем и т. д.), которые являются первичными объектами. Это дает нам самое фундаментальное понимание того жизненно важного факта, что любые два электрона в любом месте Вселенной имеют одинаковые основные свойства. Оба они созданы одним и тем же полем!

Иногда физики или инженеры делают заявления вроде этого: «Я свел на нет электрическое и магнитное поля в своей специальной экранированной лаборатории». Не обманывайтесь! Это означает, что было занулено среднее значение этих полей; тем не менее электромагнитное поле как сущность все еще присутствует.

В частности, электромагнитное поле будет по-прежнему реагировать на токи зарядов внутри экранированной лаборатории, и оно все еще наполнено квантовыми флуктуациями, то есть виртуальными фотонами. Аналогичным образом средние значения электрических и магнитных полей в глубоком космосе равны нулю или почти равны, но сами поля простираются повсюду и поддерживают распространение световых лучей на сколь угодно большие расстояния. (Поле уничтожает фотон в одной точке, создает новый в следующей точке…) См. также: Квантовое поле.

Физическая константа, которая играет центральную роль в квантовой теории. Она встречается, например, в соотношении E = hν , связывающем энергию фотона с частотой света, который он представляет, или в соотношении p = h / λ , связывающем импульс фотона с длиной волны λ света.

Очень устойчивая комбинация кварков и глюонов. Когда-то считалось, что протоны и нейтроны являются фундаментальными частицами; теперь мы понимаем, что они представляют собой сложные объекты. Можно построить полезную модель атомных ядер, используя идею о том, что они являются связанной системой, состоящей из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу; нейтрон примерно на 0,2 % тяжелее. Протоны имеют электрический заряд e , равный по величине заряду электронов, но противоположный по знаку. Ядра атомов водорода являются одиночными протонами. Известно, что протоны живут по меньшей мере 10 32лет, что намного превышает время жизни Вселенной, однако единые теории предполагают, что их продолжительность жизни не может намного превышать существующий предел и для проверки этого предположения проводятся важные эксперименты.

Сокращенное название Релятивистского коллайдера тяжелых ионов. РКТИ находится на Лонг-Айленде, в Брукхейвенской национальной лаборатории. Столкновения на РКТИ в очень небольшом объеме и в течение очень коротких периодов времени воспроизводят экстремальные условия, подобные тем, которые имели место в самые ранние моменты Большого Взрыва.