Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Элементарные частицы делятся на два обширных класса: бозоны и фермионы.

В Главной теориик бозонам относятся фотоны, виконы(бозоны слабого взаимодействия), цветные глюоны, гравитоныи бозоны Хиггса. В тексте я часто называю их частицами взаимодействия (силы). Бозоны могут быть созданы или уничтожены поодиночке.

Бозоны подчиняются принципу Бозе [92] Чаще говорят о подчинении статистике Бозе – Эйнштейна. – Прим. пер. . Грубо говоря, это значит, что два бозона одного вида особенно счастливы делать одно и то же. Фотоны являются бозонами, и именно принцип Бозе для фотонов делает возможным существование лазеров. Когда им дается такой шанс, вся совокупность фотонов пытается делать одно и то же, создавая узкий пучок спектрально чистого света.

В Главной теории кваркии лептоныявляются фермионами . В тексте я часто называю их частицами материи.

Фермионы образуются и исчезают парами. В результате, если у вас есть один фермион, вы не можете просто так избавиться от него. Он может превратиться в другой вид фермиона, или в три, или в пять, а также в любое число не-фермионов (т. е. бозонов; см. выше) – но он не может раствориться, превратиться в ничто, не оставив следа.

Фермионы подчиняются принципу запретаПаули. Грубо говоря, это значит, что два фермиона одного вида не любят заниматься одним и тем же. Электроныявляются фермионами, и принцип запрета Паули для электронов играет ключевую роль в структуре вещества. Он будет нашим проводником в главе «Квантовая красота II», в которой мы исследуем богатый мир углерода.

Большой адронный коллайдер, или БАК (LHC) – инструмент лаборатории CERN около Женевы. Главной целью проекта является исследование фундаментальных процессов при высоких энергиях, а следовательно, при меньших расстояниях и временах, чем это было когда-либо доступно ранее.

Это достигается следующим образом. Протоныускоряют до очень высокой энергии движенияи формируют из них два узких пучка. Пучки находятся внутри гигантского подземного кольца окружностью 27 км, где они циркулируют в противоположных направлениях, удерживаемые на траектории мощными магнитами. (Кольцо должно быть большим, а магниты мощными, потому что трудно отклонить такие высокоэнергетичные протоны от прямолинейного движения!) В нескольких точках наблюдения пучкам дают пересечься. Близкие прохождения высокоэнергетичных протонов, летящих в противоположных направлениях, приводят к «столкновениям», при которых огромное количество энергии концентрируется в очень небольшой области пространства, воссоздавая экстремальные условия, последний раз наблюдавшиеся во время самых ранних моментов Большого взрыва. Огромные, сложные «детекторы» – установки величиной десятки метров во всех трех измерениях, набитые ультрасовременной электронной техникой, – извлекают физическую информацию из последствий этих столкновений, которую затем анализируют большие команды высококвалифицированных ученых с помощью глобальной сети мощных компьютеров.

БАК – это более чем значимое дополнение нашей цивилизации к египетским пирамидам, римским акведукам, Великой Китайской стене и соборам Европы: все они являются потрясающими памятниками коллективным усилиям и технологическим достижениям людей.

В июле 2012 г. ученые, работающие на БАК, объявили об открытии бозона Хиггса. Чтобы узнать об этом больше, см. главу «Квантовая красота III», часть 3. В будущих экспериментах, при более высоких энергиях, будут проверены заманчивые идеи об объединениивзаимодействий и о суперсимметрии, которые описаны в главе «Квантовая красота IV».

В научной литературе все чаще можно встретить термин « буст» по отношению к преобразованию, которое мы совершаем над системой, когда мысленно прибавляем некоторую постоянную скорость к движению всех частей системы или отнимаем ее. Этот термин, как мне кажется, произошел от первых ступеней [93] Первоначально значение англоязычного термина booster (и booster stage) – это именно первая ступень ракеты-носителя, придающая необходимую скорость верхней ступени, которая завершает выведение полезного груза на орбиту. Впоследствии оно также стало применяться в отношении дополнительных ускорителей («бустеров»), навешиваемых на первую ступень для увеличения стартовой тяги. – Прим. ред. ракет-носителей, которые придают скорость полезному грузу. В книге я называю такие преобразования не бустом, а преобразованиями Галилея, в честь Галилео Галилея, который незабываемо подчеркнул их важность изящным мысленным экспериментом, в котором он приглашает нас на борт парусного судна в изолированную каюту (как описано в основном тексте). См. преобразования Галилея.

Под словом «вакуум» обычно понимают «пустое пространство, лишенное материи». Таким образом, говорят о «создании вакуума» путем выкачивания воздуха из сосуда, или о «вакуумных трубках» электронных ламп, или о «вакууме межзвездного пространства». Такое использование может стать неоднозначным по следующим причинам.

• То, что вы найдете, зависит от того, насколько вы готовы искать. «Вакуум» межзвездного пространства, например, пронизан микроволновым фоновым излучением; таким излучением, которое наши глаза ощутили бы как звездный свет; космическими лучами; потоками различных нейтрино; темной энергией и темной материей. На Земле инженеры вакуумной техники могут, приложив усилия, исключить первые две категории из некоторой области пространства и большую часть третьей, но никак не последние три. К счастью, причина того, что это настолько трудно, является также и причиной, почему это не имеет никакого значения для практических целей: потоки нейтрино, темная энергия, темная материя – и, возможно, нечто иное, о чем мы даже еще не знаем! – очень слабо взаимодействуют с обычным веществом.

• Что, как вам кажется, там есть, зависит от того, как упорно вы готовы думать. В нашей Главной теории даже идеально «пустое» пространство пронизывают множество квантовых флюидов: электромагнитный флюид, метрический флюид, электронный флюид, флюид Хиггсаи т. д., а также метрическое поле и поле Хиггса.

Что именно имеют в виду люди, когда говорят «вакуум», обычно ясно из контекста, но в размышлении о фундаментальных принципах следует ясно осознавать, что слово «вакуум» не обозначает никакого четко определенного понятия. В частности, философское понятие Пустоты [94] У слова void (пустота) имеется также более приземленное значение: им называют обширные области пространства с низкой плотностью видимой и темной материи в ячеистой структуре видимой Вселенной. В этом значении оно обычно передается транскрипцией «войд». – Прим. ред. – пространства, совершенно ничего не содержащего, – очень отличается от любого разумного понимания физического пространства где бы то ни было в современном физическом мире.