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
гравітації.
Симетрія, що лежить в основі электрослабой теорії, ще більш незвичайна. Вона не має ніякого відношення до
зміні нашої точки зору в просторі й часі, а пов'язана зі зміною нашої точки зору про ідентичність
різних типів елементарних часток. Як ми бачили раніше, частка може перебувати в такому квантово-механічному
стані, коли про неї не можна сказати з вірогідністю, що вона перебуває тут або там або обертається по вартовий
стрілці або проти годинникової стрілки. Ті ж дивні властивості квантової механіки дозволяють частці перебувати в
стані, коли вона не є з визначеністю ні електроном, ні нейтрино, і цей стан існує доти,
поки ми не здійснимо вимір деякої властивості, що відрізняє ці дві частки, наприклад їхнього електричного заряду.
В электрослабой теорії форма законів природи не змінюється, якщо у всіх наших рівняннях поміняти електрони й
нейтрино на такі змішані стани, які не є ні тієї, ні іншою часткою. Оскільки з електронами й
нейтрино взаємодіє безліч інших типів часток, те одночасно необхідно перемішати сімейства цих
інших часток104, наприклад змішати u-кварки з d-кварками або фотони з їхніми родичами - позитивно й
негативно зарядженими W -частками й нейтральними Z-Частками. Така симетрія зв'язує електромагнітні
сили, викликувані обміном фотонами, зі слабкими ядерними силами, які породжуються обміном W- і Z-Частками. В
электрослабой теорії фотони, W- і Z-Частки є згустками енергії чотирьох полів, існування яких
диктується симметри-
115
їй электрослабой теорії багато в чому аналогічно тому, як гравітаційне поле диктується симетрією загальної теорії
відносності.
Симетрії, подібні тієї, котра лежить в основі электрослабой теорії, називаються внутрішніми симетріями, так
як ми сприймаємо їх як деяку внутрішню властивість часток, не пов'язане з їхнім положенням у просторі або
характером руху. Внутрішні симетрії менш знайомі нам, чим симетрії, що діють у звичайному просторі й
часу й визначальну структуру ВІД. Щоб мало-мало краще зрозуміти, про що мова йде, ви можете представити, що в
кожної частки є маленький циферблат, стрілка якого показує напрямку, позначені словами «електрон» або
«нейтрино», або «фотон» і «W», або перебуває в будь-якому проміжному стані. Внутрішня симетрія затверджує, що
закони природи не міняють своєї форми, якщо ми станемо довільним образом обертати стрілки на цих циферблатах.
Більше того, у рамках того типу симетрій, які визначають электрослабые сили, ми можемо обертати ці стрілки по-
різному для часток у різних місцях і в різні моменти часу. Це вже багато в чому схоже на симетрію, що лежить в
основі загальної теорії відносності, що дозволяє повертати наші лабораторії не тільки на постійний кут, але
і на кут, що збільшується згодом, якщо, наприклад, помістити лабораторію на карусель. Інваріантність законів
природи стосовно сукупності перетворень внутрішніх симетрій, які залежать від місця розташування й
часу, називається локальною симетрією (оскільки результат перетворення симетрії залежить від положення в
просторі й часі) або каліброваною симетрією (по чисто історичних причинах)105. Саме локальна
симетрія між різними системами відліку в просторі й часі приводить до необхідності існування
тяжіння. Багато в чому аналогічним образом інша локальна симетрія - між електронами й нейтрино (а також між
і-и- і d-кварками й т.д.) - приводить до необхідності існування фотона й W- і Z-Часток.
Є ще й інша точна локальна симетрія, пов'язана із внутрішніми властивостями кварків і получившая вигадливе
назва «колір»106. Ми бачили, що існують кварки різних типів, наприклад кварки й і d, з яких зроблені протони й
нейтрони, що входять до складу всіх звичайних атомних ядер. Але кварки кожного із цих типів існують у трьох різних
колірних станах, які фізики (принаймні в США) часто називають червоним, білим і синім. Звичайно, все це
не має ніякого відношення до звичайного кольору, а є всього лише спосіб відрізнити різновиду кварків даного типу.
Наскільки ми зараз знаємо, у природі існує точна симетрія між всіма квітами. Іншими словами, сила,
діюча між червоним і білим кварками, дорівнює силі,
116
діючої між білим і синім кварками, а сили, що діють між двома червоними або двома синіми
кварками, також рівні один одному. Але ця симетрія набагато ширше, ніж просто симетрія стосовно заміни квітів
кварків один на одного. Відповідно до законів квантової механіки, можна розглядати стани окремих кварків, які
не є з визначеністю червоними, білими або синіми. Закони природи будуть мати точно ту ж форму, якщо
замінити червоний, білий і синій кварки на кварки в трьох підходящих змішаних станах (наприклад, фіолетовий,
рожевий і блідо-ліловий). Знову ж за аналогією із загальною теорією відносності той факт, що закони природи
залишаються колишніми, навіть якщо змішування змінюється від крапки до крапки в просторі й часі, приводить до
необхідності включити в теорію сімейство полів, аналогічних гравітаційному полю й взаємодіючих з
кварками. Таких полів вісім; їх називають полями глюонов3', тому що більші сили, які вони породжують, склеюють
разом кварки усередині протонів і нейтронів. Сучасна теорія цих сил, квантова хромодинамика, саме і є теорія
кварків і глюонов, що підкоряється локальної колірної симетрії. Стандартна модель елементарних часток складається з
теорії электрослабого взаємодії й квантової хромодинамики.
Я згадував, що принципи симетрії надають теоріям певну твердість. Може здатися, що це
недолік, що фізик хоче розвивати теорії, здатні охопити як можна більше широке коло явищ, і тому
зволів би, щоб теорії були як можна більше гнучкими й не втрачали змісту при самих різних обставинах. Так, в
багатьох областях науки це вірно, але тільки не в тій області фундаментальної фізики, про яку мова йде. Ми перебуваємо
на шляху до чого універсальному, до чого, що управляє фізичними явищами скрізь у Всесвіті, до того, що ми
називаємо законами природи. Ми не хочемо розробляти теорію, здатну описати всі мислимі типи сил, які
могли б діяти між частками в природі. Навпроти, ми сподіваємося знайти таку теорію, що жорстко дозволила
би нам описати тільки ті сили - гравітаційну, электрослабую й сильну, які існують насправді.
Твердість такого роду в наших фізичних теоріях є частина того, що ми розуміємо під їхньою красою.
Але не тільки принципи симетрії надають нашим теоріям твердість. Ґрунтуючись тільки на цих принципах, ми не
[...]
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