Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
Ці симетрії надзвичайно важливі в класичній фізиці, але їхнє значення ще більше зростає у квантовій механіці.
Розглянемо, що відрізняє один електрон від іншого? Тільки його енергія, імпульс і спин; якщо не вважати цих властивостей,
кожний електрон у Всесвіті схожий на будь-який іншій. Всі ці властивості електрона характеризують те,
110
яким образом його квантово-механічна хвильова функція відгукується на перетворення симетрії, а саме на
зміни установки годин, місця розташування або орієнтації нашої лабораторії2). Таким чином, речовина втрачає свою
чільну роль у фізику: усе, що залишається, - це принципи симетрії й різні способи перетворення хвильових
функцій під дією перетворень симетрії.
Існують і менш очевидні перетворення простору-часу, чим прості трансляції й обертання. Закони
природи не міняють своєї форми для спостерігачів, що рухаються з різними постійними швидкостями: немає різниці,
чи проводимо ми експеримент тут, у Сонячній системі, що крутится навколо центра Галактики зі швидкістю в трохи
сотень кілометрів у секунду, або в далекій галактиці, що віддаляється від нас зі швидкістю в десятки тисяч кілометрів в
секунду. Цей принцип симетрії часто називають принципом відносності. Широко поширена думка,
2) Наприклад, частота, з якої осциллирует хвильова функція будь-якої системи в стані з певної
енергією, дорівнює цієї енергії, діленої на світову константу - постійну Планка. Така система виглядає
зовсім однаково для двох спостерігачів, що встановила показання своїх годин з різницею в одну
секунду. Однак, якщо вони обоє подивляться на систему в той момент, коли годинники кожного показують рівно
полудень, виявиться, що коливання перебувають у різних фазах. Тому що годинник установлені по-різному,
спостерігачі насправді фіксують положення системи в різні моменти часу, так що один
спостерігач може, наприклад, бачити горб хвилі, а іншої - западину. Зокрема, фаза відрізняється на число
циклів коливань (або часток циклу) за одну секунду, тобто на частоту коливань у циклах за секунду, а
отже, на енергію, ділену на постійну Планка. У сучасній квантовій механіці ми
визначаємо енергію будь-якої системи як зміна фази (у циклах або частках циклу) хвильової функції цієї
системи в цей момент часу по годинниках, якщо зрушити установку годин на одну секунду. Постійна
Планка бере участь у грі тільки тому, що енергія історично виміряється в одиницях типу калорій,
кіловат-годин або електрон-вольтів, прийнятих задовго до створення квантової механіки. Постійна Планка
є просто перекладним множником між цими більше старими системами одиниць і природної
квантово-механічною одиницею енергії - числом циклів у секунду. Можна показати, що певна
у такий спосіб енергія має всі властивості, які ми звичайно асоціюємо із цим поняттям, у тім
числі властивістю збереження. Дійсно, інваріантність законів природи щодо перетворення
симетрії, що полягає в переустановці наших годин, і дає відповідь на питання, чому існує така
величина, як енергія. Точно так само компонента імпульсу будь-якої системи в будь-якому заданому напрямку
визначається як добуток постійної Планка на зміну фази хвильової функції при зрушенні крапки,
щодо якої виміряються координати, на один сантиметр у цьому напрямку. Величина спина системи
щодо будь-якої осі визначається як добуток постійної Планка на зміну фази хвильовий
функції при повороті системи відліку, використовуваної нами для виміру напрямків, на один оборот навколо
цієї осі. З такого погляду імпульс і спин являють собою те, що вони є, завдяки симетрії
законів природи щодо змін системи відліку, використовуваної нами для виміру положень або
напрямків у просторі. (Перераховуючи властивості електронів, я не включив координату, тому що координата й
імпульс є сполученими величинами. Можна описувати стан електрона, задаючи його координату
або імпульс, але не обидві величини одночасно.)
111
що він був сформульований Эйнштейном, однак уже в ньютоновской механіці був свій принцип відносності.
Різниця між ними тільки в тім, як швидкість руху спостерігача впливає на спостереження положень і моментів
часу в обох теоріях. Але Ньютон просто постулировал свій принцип відносності; що ж стосується Эйнштейна, те
він явно сформулював його так, щоб він був сумісний з тим експериментальним фактом, що швидкість світла не залежить від
швидкості руху спостерігача. У цьому змісті упор на симетрію як на питання, що ставиться до фізики, у роботі
Эйнштейна 1905 р. по спеціальній теорії відносності ознаменував початок сучасного відношення до ролі принципів
симетрії.
Найважливіша відмінність ньютоновской фізики від эйнштейновской при відповіді на питання, як рух спостерігача
впливає на спостереження часових-просторово-тимчасових положень, полягає в тім, що в спеціальній теорії
відносності твердження, що два вилучених друзі від друга події відбулися одночасно, не має абсолютного
змісту. Один спостерігач може бачити, що двоє годин одночасно б'ють полудень; інший спостерігач, що рухається
щодо першого, виявляє, що одні годинники пробили полудень раніше або пізніше інших. Як ми вже відзначали вище,
через цього ньютоновская теорія гравітації, як втім і будь-яка аналогічна теорія тяжіння, несумісна з
спеціальною теорією відносності. Ньютоновская теорія затверджує, що в будь-який момент часу сила притягання,
діюча з боку Сонця на Землю, залежить від того, де в цей момент перебуває Сонце. Виникає питання: у цей
же момент щодо чого?
Природний спосіб виправити положення полягає у відмові від старої ньютоновской ідеї про миттєву дію
на відстані й заміні цієї ідеї картиною сил, обумовлених полями. У такій картині Сонце не притягає Землю
безпосередньо; воно створює в навколишньому просторі поле, називане гравітаційним, котре потім робить
силова дія на Землю. Може здатися, що така відмінність не становить великої різниці, але насправді різниця
величезна: коли, наприклад, на поверхні Сонця виникає протуберанець, він спочатку впливає тільки на
гравітаційне поле поблизу Сонця, після чого ця невелика зміна поля починає поширюватися в просторі
зі швидкістю світла, як брижі на поверхні води від кинутого камінчика, досягаючи Землі приблизно через вісім хвилин.
Всі спостерігачі, що рухаються з будь-якою постійною швидкістю, згодні з таким описом, тому що в спеціальній теорії
відносності всі спостерігачі вимірюють ту саму швидкість світла. Подібним чином электрически заряджене тіло
створює поле, називане електромагнітним, діюче за допомогою електричних і магнітних сил на інші
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка