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

Некоторые вещества при охлаждении до очень низких температур переходят в фазу, в которой их отклик на электрическое и магнитное поля приобретает качественно новые особенности. Их электрическое сопротивление исчезает, и они в значительной степени вытесняют магнитные поля (эффект Мейсснера). Мы говорим, что они становятся сверхпроводниками. Математическое описание электромагнитного поведения сверхпроводников показывает, что внутри сверхпроводников фотоны приобретают ненулевую массу.

W − и Z −бозоны, несмотря на то что во многом напоминают фотоны, — имеют спин 1 и реагируют на (слабые цветные) заряды, — имеют ненулевую массу. На первый взгляд, эта ненулевая масса исключила бы привлекательную идею о том, что W − и Z −бозоны, подобно фотонам, подчиняются уравнениям с локальной симметрией. Сверхпроводимость указывает путь вперед. Постулируя то, что пространство является сверхпроводником не для электрических зарядов, а для зарядов, которые имеют значение для W − и Z −бозонов, мы придаем этим частицам ненулевую массу, сохраняя при этом локальную симметрию основополагающих уравнений. Это центральная идея современной электрослабой теории, и она, кажется, очень хорошо описывает Природу. Более умозрительные идеи постулируют дополнительный слой сверхпроводимости Сетки, чтобы придать очень большие массы частицам, которые опосредуют кварк-лептонные переходы.

Сущность, которую мы воспринимаем как пустое пространство. Наши глубочайшие физические теории показывают, что она очень высокоструктурирована; более того, она, по-видимому, является основной составляющей реальности. Сетке посвящена глава 8.

1. В физике Ньютона сила определяется как воздействие, которое при влиянии на тело вызывает его ускорение. Это определение было и остается полезным, поскольку во многих случаях силы оказываются простыми. Например, утверждение о том, что на изолированное тело не воздействуют никакие силы, эквивалентно первому закону движения Ньютона, в котором говорится, что изолированное тело движется с постоянной скоростью. 2. В современной фундаментальной физике, в частности в Центральной теории и ее унифицированных расширениях, старая концепция силы оказывается не очень полезной. До сих пор принято использовать такие выражения, как «сильная сила », «слабая сила » и т. д., однако между собой физики обычно используют более абстрактные выражения вроде «сильного взаимодействия ». Как правило, в этой книге я использовал старую добрую англосаксонскую версию.

Одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Сильное взаимодействие связывает кварки и глюоны в протоны, нейтроны и другие адроны, а также удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие атомные ядра. Большая часть того, что наблюдается на ускорителях высоких энергий, представляет собой результат сильного взаимодействия.

Симметрия имеет место, когда существуют различия, которые не имеют никакого значения. То есть объект или набор уравнений демонстрирует симметрию, когда вы можете сделать с ними то, что могло бы их изменить, но на самом деле этого не происходит. Таким образом, равносторонний треугольник имеет симметрию при повороте на 120° вокруг своего центра, в то время как неравносторонний треугольник ее не имеет.

Темп изменения положения.

Наряду с гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием представляет собой одно из фундаментальных взаимодействий Природы. Эта сила также известна как слабое взаимодействие. Наиболее важным эффектом слабого взаимодействия является возможность преобразований между различными типами кварков и различными типами лептонов (но не преобразований кварков в лептоны или наоборот . Эти гипотетические кварк-лептонные преобразования возникают только в единых теориях). Слабое взаимодействие движет многими радиоактивными распадами и некоторыми критически важными реакциями горения звезд.

Эффект, при котором структуры в движущемся теле кажутся неподвижному наблюдателю сжатыми (укороченными) в направлении движения. Фицджеральд и Лоренц постулировали этот эффект, чтобы объяснить некоторые наблюдения в электродинамике движущихся тел. Эйнштейн показал, что сжатие Фицджеральда — Лоренца является логическим следствием буст-симметрии в форме, предложенной уравнениями Максвелла, то есть специальной теории относительности.

Спин элементарной частицы является мерой ее углового момента. Угловой момент, в свою очередь, представляет собой сохраняющуюся величину, которая имеет почти такое же отношение к вращениям в пространстве, как (обычный) импульс к перемещениям в пространстве. См.: Импульс.

Спином элементарной частицы является либо целое число, либо целое число + 1/2 × h / 2π, где h — постоянная Планка. В классической механике угловой момент тела является мерой углового движения этого тела.

Величина спина является стабильной характеристикой для частиц каждого типа. Принято говорить, что лептоны и кварки имеют спин 1/2, поскольку их спин равен 1/2 × h / 2π. Протоны и нейтроны также имеют спин 1/2. Фотоны, глюоны, W − и Z −бозоны имеют спин 1. Пи-мезоны и гипотетическая частица Хиггса имеют спин 0. Поляризация света является физическим проявлением спина фотона.

Угловой момент изолированного тела сохраняется. Для изменения углового момента необходимо применить крутящий момент. Быстро вращающиеся гироскопы имеют большой угловой момент, и этот факт в значительной степени ответственен за их необычную реакцию на силы.

Когда устойчивые решения системы уравнений имеют меньшую симметрию, чем сами уравнения, мы говорим, что симметрия спонтанно нарушена. Это может произойти, когда энергетически выгодным становится формирование конденсата или фонового поля, как говорилось в главе 8 и приложении Б. Тогда устойчивое решение будет предполагать, что пространство заполнено веществом, свойства которого изменяются при некоторых (прежних) преобразованиях симметрии. Таким образом, такое преобразование больше не является отличием без различия — теперь оно действительно имеет значение! Связанная с ним симметрия была спонтанно нарушена.

Знакомым и простым примером спонтанного нарушения симметрии является соглашение о вождении автомобиля по одной стороне дороги. Не имеет значения, по какой стороне дороги движутся автомобили, пока все водители делают одно и то же. Если одни люди будут ездить по левой стороне, а другие по правой, то эта ситуация будет нестабильной. Разумеется, в разных странах, например в США и Великобритании, выбор стороны дороги может быть различным.