Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Говоря о «статистике», Чедвик имел в виду различия, которые разделяют все частицы (элементарные или нет) на два класса, названные бозонами и фермионами. Состояние любой системы полностью симметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных бозонов: оно не изменяется, если два тождественных бозона поменять местами. Наоборот, состояние системы антисимметрично относительно перестановки координат и спинов тождественных фермионов; то есть волновая функция, которая описывает состояние в квантовой механике, меняет свой знак на противоположный при перестановке двух тождественных фермиона. Например, электроны и протоны — фермионы; фотоны (частицы света) и атомы водорода — бозоны.

Чтобы наблюдались правильные значения полных массы и заряда атома азота-14 из протонов и электронов, атом должен состоять из 14 протонов и семи электронов, что в сумме составит 21 фермион, однако любая частица, составленная из нечетного числа фермионов, будет фермионом, а не бозоном.

Зарядовая инвариантность — это принцип, согласно которому ядерные силы не изменятся, если в уравнениях, описывающих эти силы, мы заменим протоны на нейтроны, а нейтроны — на протоны или даже если мы заменим и протоны, и нейтроны на различные комбинации протонов и нейтронов.

Мюоны — это частицы, которые, как теперь известно, ведут себя как электроны, только имеют массу примерно в 210 раз больше.

Пионы и странные частицы — это сильно взаимодействующие частицы, которые возникают при столкновении протонов и нейтронов высоких энергий. Некоторые из этих частиц были названы «странными», поскольку, в отличие от пионов, они не могут возникать поодиночке, но только совместно с другими странными частицами.

Бета-распад — это процесс радиоактивного распада, когда в атомном ядре нейтрон превращается в протон; или, наоборот, испуская при этом быстрый электрон или антиэлектрон и антинейтрино или нейтрино. Нейтрино и антинейтрино — это практически безмассовые частицы, не имеющие электрического заряда.

Werner Heisenberg, “The Nature of Elementary Particles,” Physics Today 29, no. 3 (March 1976): 33.

Фазовые сдвиги — это функции от энергии, используемые в квантовой механике для описания рассеяния частиц при столкновениях.

Дейтрон — это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода.

Этот вопрос был разрешен с открытием бозона Хиггса, описанным в главах 12 и 13. Дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц являются элементарными и связаны с бозоном Хиггса симметриями теории электрослабого взаимодействия.

Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел. — М.: АСТ, 2017.

A. Loeb, Nature 539 (November 3, 2016): 23. Лёб назвал мою статью 1987 г. о темной энергии первой в списке кошмаров.

Для краткости я буду ссылаться на книгу по имени ее старшего автора, Хокинга, вместо Хокинга и Млодинова.

Хокинг С. Кратчайшая история времени. — М.: АСТ, 2017.

10 −38— это число, в котором после десятичной точки идут 37 нулей и единица.

Высказывание Хокинга о системе Птолемея более справедливо отнести в адрес системы датского астронома XVI в. Тихо Браге. В системе Браге Солнце движется вокруг Земли, но остальные планеты обращаются вокруг Солнца. Теория Браге позволяет получить те же предсказания для фаз планет, что и теория Коперника. Однако наблюдение звездного параллакса, выполненное в XIX в., показало, что по крайней мере в системе отсчета, связанной со звездами, именно Земля, а не Солнце, ежегодно проходит по своей орбите.

Marcus du Sautoy, Symmetry: A Journey into the Patterns of Nature (New York: Harper, 2008); Ian Stewart, Why Beauty Is Truth: A History of Symmetry (New York: Basic Books, 2007).

По причинам, которые сложно объяснить без привлечения математики, эти симметрии предполагают выполнение важных законов сохранения — сохранения энергии, импульса и момента импульса (или спина). Некоторые другие симметрии подразумевают сохранение других величин, например электрического заряда.

Лоренц пытался объяснить неизменность наблюдаемой скорости света, изучая влияние движения на частицы материи. Эйнштейн же, наоборот, объяснял те же результаты наблюдений изменением одной из фундаментальных симметрий природы.

Термин «нарушенная симметрия» вводит в заблуждение. В рассматриваемых случаях симметрия в фундаментальных уравнениях может быть точной; она отсутствует только в решениях этих уравнений.

Киральная симметрия похожа на упомянутую выше протон-нейтронную симметрию за исключением того, что преобразования симметрии могут отличаться в зависимости от того, по или против направления их движения направлены их спины. Пи-мезон в некотором смысле является аналогом медленной прецессии эллиптической планетарной орбиты; как малые возмущения могут существенно изменять ориентацию орбиты, так и пи-мезоны могут возникать при столкновениях нейтронов и протонов относительно низких энергий.

Честность вынуждает меня признать, что здесь я намеренно опускаю некоторые технические сложности зеркальной симметрии. Однако это замечание о случайной симметрии применимо к симметрии материи-антиматерии без усложнений.

Эти частицы не наблюдались в экспериментах не потому, что они слишком тяжелы для создания в ускорителе (глюоны являются безмассовыми, а некоторые кварки довольно легкие), но потому, что сильное ядерное взаимодействие удерживает их вместе в смешанных состояниях, таких как протоны и нейтроны.

Снова я признаю, что опускаю некоторые сложные моменты.

Лептонное число определяется как число электронов и аналогичных более тяжелых заряженных частиц плюс число нейтрино минус число их античастиц. (Этот закон сохранения требует, чтобы нейтрино были безмассовыми, поскольку нейтрино и антинейтрино отличаются только тем, по или против направления их движения направлены их спины. Если бы нейтрино имели массу, тогда они бы двигались со скоростью ниже скорости света, поэтому можно было бы обратить их видимое направление движения, двигаясь с более высокой скоростью. В этом случае спин, направленный по направлению движения, окажется направленным против и нейтрино превратится в антинейтрино, в результате чего изменится лептонное число.) Барионное число пропорционально разности числа кварков и антикварков. Протоны — это легчайшие частицы с ненулевым барионным числом, поэтому если бы барионное число всегда сохранялось, не существовало бы таких частиц, на которые мог бы распасться протон при условии сохранения энергии.