Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Сегодня мы признаем, что нарушение четности – главная особенность слабого взаимодействия и важная часть формулировки соответствующего раздела Основной теории. Слабое взаимодействие делает большое различие между левым и правым, от которого нельзя избавиться за счет определений!

Чтобы точно установить различие, мы должны ввести спиральность частицы. Когда частица со спиномеще и движется, мы имеем два направления, связанные с ней: направление, связанное с ее спином, которое мы определили ранее, и направление ее скорости. В определении направления, связанного со спином, мы использовали правило правой руки. Соответственно, если направление спина частицы, определенное таким образом, совпадает с направлением ее скорости, мы говорим, что это правая частица. В ином случае, если направление спина частицы противоположно направлению ее скорости, мы говорим, что это левая частица.

Подготовившись таким образом, мы теперь готовы описать, как слабое взаимодействие нарушает четность: левые кварки и левые лептоны, а также правые антикварки и антилептоны участвуют в слабом взаимодействии, но частицы с противоположной спиральностью этого не делают.

Наконец, позвольте мне выполнить обещание, сделанное в статье об аксиальном векторе, и дать определение этого термина. Выше мы видели, что векторы, связанные с движением из одной точки в другую, изменяют направление после преобразования четности. Векторы, которые преобразовываются подобным образом, называют истинными векторами, или полярными векторами. Однако не все векторы ведут себя таким образом! Векторы, в определение которых входит правило правой руки, поменяют направление дважды, если мы делаем преобразование четности: один раз, потому что они векторы, а второй раз, потому что они были определены «неправильным» для преобразованной системы правилом (потому что правое превратилось в левое!). Векторы, направление которых не изменяется, когда мы выполняем преобразование четности, называют псевдовекторами, или аксиальными векторами. Например, магнитное поле в физике – это поле аксиальных векторов.

См. Тон, чистый тон.

Мы называем объяснение или, в более общем случае, теорию экономной , если она содержит мало допущений, а объясняет многое.

Хотя она не включает обмена товарами или услугами, эта концепция не полностью лишена связи с настоящей экономикой. В ее рамках мы бы сказали, что разумное использование ограниченных ресурсов для создания ценной продукции – экономное использование этих ресурсов, так что это похожая идея.

Интуитивно кажется обоснованным предпочитать экономные объяснения их противоположностям – объяснениям, которые требуют многих допущений для объяснения ограниченного ряда фактов или наблюдений. Этот интуитивный подход находит поддержку в байесовской статистике, которая уверяет нас в том, что более экономное из двух объяснений с большей вероятностью является правильным, если оба одинаково хорошо объясняют одни и те же данные.

В современной физике и особенно в нашей Главной теории электрический заряд – первичное свойство вещества, которое не может быть объяснено чем-то более простым. Электрический заряд – это дискретная ( цифровая) сохраняющаясявеличина, на которую реагируют электромагнитные поля.

Самое простое проявление электрического заряда – его способность порождать силы. Согласно закону Кулона, две электрически заряженные частицы испытывают электрическую силу, пропорциональную произведению их электрических зарядов (и обратно пропорциональную квадрату расстояния между ними). Если заряды одного знака, то это между ними действует сила отталкивания, но она является силой притяжения, если заряды имеют противоположный знак. Следовательно, существует сила электрического отталкивания между двумя протонами, как и между двумя электронами, и сила электрического притяжения между протоном и электроном.

Электрический заряд всегда является кратным заряду протона. Электроны по отношению к протонам несут равный, но противоположный по знаку заряд. (Теоретически кваркиобладают дробным зарядом относительно заряда протона. Однако кварки не появляются в виде отдельных частиц, а только в составе адронов. Электрические заряды адронов всегда являются кратными заряду протона.)

Величина электрического поля в любой точке определяется отношением электрической силы, которую испытывает заряженная частица, расположенная в этой точке, к электрическому заряду. Сила – это векторнаявеличина, поэтому электрическое поле – векторноеполе.

Это определение широко используется в молекулярной биологии, химии, электротехнике и других прикладных науках. Но в приложении к фундаментальной физике, где квантовые флуктуациистановятся значительными, оно становится проблематичным, поскольку и силы, и положения частиц флуктуируют. Его можно оставить как приближенное представление, произведя тем или иным способом усреднение по времени и пространству.

В фундаментальной физике оказался полезнее другой подход, который избегает этих трудностей. Мы не настаиваем, что понятия, которые мы используем, соответствуют на всех этапах наблюдаемым величинам. Мы хотим, чтобы все наблюдаемые величины появлялись где-то в уравнениях, но мы можем считать – и мы считаем – удобным включить туда что-то другое кроме них! (См., в частности, статью о перенормировке.)

В таком ключе я определяю электрический флюид как заполняющее пространство активное нечто , появляющееся в уравнениях Максвелла.

Необходимость разделять понятия электрического поля и электрического флюида становится кристально ясной, если мы подумаем, как должны интерпретировать утверждение «Электрическое поле в межгалактическом пространстве исчезает». Это утверждение имеет смысл (и приближенно верно), если принять наше определение электрического поля через средние значения сил, которые оно создает. Однако будет совершенно неверно сказать, что квантово-механическая сущность, которая фигурирует в уравнениях Максвелла и проявляет спонтанную активность, где-либо исчезает. Поэтому обычная терминология, которая не различает эти два понятия – сущность саму по себе и ее среднее значение, – порочна в своей основе. (Этот порок, похоже, не слишком волнует большинство физиков, но он беспокоит меня!) Мы решаем эту проблему, называя саму сущность электрическим флюидом , а ее среднее значение электрическим полем .