Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

В современной физической космологии важно принять во внимание, что заполняющие пространство поля, такие как поле Хиггса:

• производят глубокие физические воздействия, как изменяя поведение материи, так и внося вклад в темную энергию ;

• присутствуют в любом физически определенном вакууме (потому что они являются повсеместно распространенными и повсюду проникающими);

• могут – в экстремальных условиях – изменить свою интенсивность.

Комбинируя эти наблюдения, мы приходим к пониманию того, что могут существовать существенно отличающиеся реализации физического вакуума, где пронизывающие их поля отличаются по величине. Поведение материи в этих различных вакуумах может решительно отличаться, так же как и соответствующие плотности темной материии темной энергии.

Будет интересно и изящно сказать, подытоживая эту ситуацию, что пространство само по себе – это материя такого рода, которая может существовать в различных фазах, так же как вода может существовать в виде жидкости, льда или пара. (См. Вселенная, видимая Вселенная и мультивселенная.)

Векторы можно определить либо геометрически, либо алгебраически.

Геометрически вектор – математический объект, у которого есть одновременно величина и направление. Примеры:

• Если мы имеем две точки, скажем A и B , то прямолинейное перемещение, которое переводит A в B , является вектором. Его величина – это расстояние между A и B , а его направление – это направление от A к B .

• Скоростьчастицы является вектором.

• Электрическое полев любой точке является вектором.

Алгебраически вектор – это просто последовательность чисел.

Эти два определения можно связать друг с другом, введя понятие координат. Векторы в примерах выше – это векторы в обычном трехмерном пространстве, которые соответствуют тройкам действительных чисел. Несколько интересных и важных вариаций на эту тему упомянуты в словарной статье о координатах.

Когда у нас имеется векторная величина, определенная в каждой точке пространства, мы говорим, что у нас есть векторное поле . Примеры:

• Если рассмотреть объем воды, ее различные части будут двигаться с разными скоростями. Эти скорости определяют векторное поле.

• Электрические и магнитные поля – это векторные поля.

• В каждой точке на экране компьютера интенсивности, с которыми светятся на экране красный, зеленый и синий цвета, являются последовательностью из трех чисел и, следовательно, определяют вектор. Таким образом, на экране вашего компьютера имеется векторное поле цветов.

Частично прелесть виконов состоит в том, что их можно определить несколькими дополнительнымиспособами:

• Виконы – это W– и Z-частицы, которые наблюдаются в детекторах на ускорителях элементарных частиц.

• Виконы – это кванты флюидаслабого взаимодействия, чья реакция на движение слабых зарядов вызывает слабое взаимодействие.

• Виконы – это воплощение особой локальной симметрии, симметрии вращения в пространстве свойствслабого заряда. Таково их наиболее красивое определение: оно показывает родство виконов с цветными глюонами, фотонамии гравитонами. Все они – воплощения локальной симметрии. Это напоминает нам о нашем Вопросе и ответе на него в Главной теории. Мы обнаруживаем связь «Реальное ↔ Идеальное» по мере того, как объекты и события реальности все более соответствуют понятиям, которые мы вводим, чтобы нарисовать анаморфную картину локальной симметрии.

См. Квантовые флуктуации, виртуальная частица, поляризация вакуума и нулевые колебания.

В классической механике частицы в любой момент времени занимают некоторое определенное положение в пространстве. В квантовой механике описание частицы совершенно иное. Чтобы описать, скажем, электрон в квантовой теории, мы должны определить волновую функцию электрона. Волновая функция электрона задает его облако вероятности, плотность которого в некоторой области пространства обозначает относительную вероятность найти там этот электрон.

Здесь я набросаю более точное описание волновых функций электронов. Чтобы это описание не пропало для вас даром, вам понадобится по крайней мере мимолетное знакомство с комплексными числамии теорией вероятностей. Заключительная ремарка в этой словарной статье, обозначенная звездочкой (*), – это самая важная ее часть, с которой вам следует ознакомиться, даже если вы решили лишь бегло просмотреть или пропустить абзацы, ей предшествующие.

Волновая функция электрона – это полекомплексных чисел. Иначе говоря, каждой точке пространства в любой момент времени волновая функция приписывает комплексное число. Данное комплексное число называют величиной, или иногда амплитудой, волновой функции в данном месте и в данное время. Волновая функция подчиняется (относительно) простому уравнению, уравнению Шрёдингера, но сама по себе не имеет никакого очевидного физического смысла.

Что действительно имеет прямой физический смысл, так это поле положительных (или равных нулю) действительных чисел, которые мы получаем из волновой функции, возводя в квадрат модуль ее величины. Эта математическая операция позволяет нам перейти от волновой функции электрона к связанному с ним облаку вероятности. Вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства и в данное время пропорциональна квадрату модуля величины волновой функции в этом месте и в это время.

Хотя он и описывается функцией, заполняющей пространство, не следует думать, что электрон – это протяженный объект. Когда мы наблюдаем электрон, он всегда наблюдается как цельный объект, со своей полной массой, электрическим зарядом и т. д. Волновая функция несет информацию о вероятности обнаружения целой частицы, не о распределении частей частицы.

Квантово-механическое описание двух или более частиц, как и следовало ожидать, также основано на волновых функциях. Оно вводит новое важное свойство: запутанность . Существенная новизна возникает уже для двух частиц, поэтому, чтобы изложить концепцию, насколько это возможно, конкретно и просто, я остановлюсь на этом случае.