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
математичних понять (метрика, аффинная связность, тензор кривизни), що є невід'ємними частинами римановой
геометрії. Коли Эйнштейн почав розвивати загальну теорію відносності, він незабаром зрозумів, що один зі способів
реалізації його ідей про симетрію між різними системами відліку полягає в тім, щоб описати тяжіння як
кривизну простору-часу. Эйнштейн поцікавився у свого друга, математика Марселя Гроссмана, не існує
чи якої-небудь теорії скривлених просторів - не просто скривлених двовимірних поверхонь у звичайному
тривимірному евклідовому просторі, а скривлених тривимірних і навіть четырехмерных просторів? Гроссман
обрадував Эйнштейна, сказавши, що такий математичний формалізм існує, він розвинений Риманом і іншими
математиками. Більше того, Гроссман навчив Эйнштейна цій математиці, що потім увійшла складовою частиною в загальну
теорію относитель-
122
ности. Таким чином, виходить, що математика чекала появи Эйнштейна, що зумів неї використовувати для
фізики, хоча я думаю, що ні Гаусс, ні Риман, ні інші фахівці по-диференціальної геометрії XIX в. поняття не
мали, що їхня робота коли-небудь буде мати хоч якесь відношення до фізичної теорії тяжіння.
Ще більш дивним є приклад з історією відкриття принципів внутрішньої симетрії. У фізику ці принципи
звичайно відбивають щось начебто сімейних зв'язків між окремими членами в списку можливих елементарних часток.
Перший відомий приклад такої симетрії пов'язаний із двома типами часток, з яких складаються звичайні атомні ядра, -
протоном і нейтроном. Маси протона й нейтрона майже однакові, так що, коли нейтрон був відкритий Джеймсом
Чедвиком в 1932 р., відразу ж виникло природне припущення, що сильні ядерні сили (дающие внесок у маси
нейтрона й протона) повинні мати просту симетрію: рівняння, що визначають ці сили, повинні зберігати свій
вид, якщо скрізь у них поміняти місцями ролі протонів і нейтронів. Крім іншого, з такої гіпотези треба, що
сильні ядерні сили, що діють між двома нейтронами, рівні таким же силам, що діють між двома
протонами. Однак нічого не можна сказати про силу, що діє між протоном і нейтроном. Тому трохи
несподіваним виявився результат експериментів, що підтвердили в 1936 р., що ядерні сили, що діють між двома
протонами, рівні таким же силам, що діють між протоном і нейтроном114. Це спостереження породило ідею
симетрії, що виходить за рамки простої заміни протонів на нейтрони й навпаки. Мова йде про симетрію стосовно
безперервним перетворенням, що перетворюють протони й нейтрони в частки, що є суперпозиціями протонів і
нейтронів, з довільною ймовірністю перебувати в протонному або нейтронному станах.
Подібні перетворення симетрії діють на мітку частки, що відрізняє протони від нейтронів, способом,
який математично збігається з тим, як звичайні обертання в тривимірному просторі діють на спини часток,
начебто протона, нейтрона або електрона115. Пам'ятаючи про цей приклад, багато фізиків аж до початку 60-х рр. мовчазно
припускали, що за аналогією з обертаннями, що переводять протон і нейтрон друг у друга, всі перетворення внутрішньої
симетрії, що залишають незмінними закони природи, повинні мати форму обертань у деякому внутрішньому
просторі двох, трьох або більше вимірів. Підручники, у яких викладалося застосування принципів симетрії до фізики
(включаючи класичні книги Германа Вейля і Юджина Вигнера) навіть не згадували про інших математичний
можливостях. Тільки наприкінці 50-х рр., після відкриття безлічі нових часток спочатку в космічних променях, а пізніше на
прискорювачах начебто бэватрона в Беркли,
123
у середовищі фізиків-теоретиків виникло більше широке розуміння можливостей опису внутрішніх симетрій. Нові
частки, здавалося, поєднувалися в значно більше великі сімейства, чим проста пара протон-нейтрон. Наприклад,
виявилося, що протон і нейтрон несуть риси фамільної подібності із шістьма іншими частками, називаними
гіперонами й имеющими той же спин і близькі маси. Який же тип внутрішньої симметриии може породжувати такі
великі родинні групи?
На початку 60-х рр. фізики, що займалися цим питанням, звернулися по допомогу до літератури по математиці. Для них
виявилося приємним сюрпризом, що математики вже давно склали в деякому змісті повний каталог всіх можливих
симетрій. Повний набір перетворень, що залишають щось незмінним, будь те конкретний об'єкт або закони
природи, утворить математичну структуру, називану групою, а розділ математики, що вивчає перетворення
симетрії, називається теорією груп116. Кожна група характеризується абстрактними математичними правилами, не
залежними від того, що піддається перетворенню, так само як правила арифметики не залежать від назв тих величин,
які ми складаємо або множимо. Список типів сімейств, дозволених кожною конкретною симетрією законів
природи, повністю визначається математичною структурою групи симетрії.
Ті групи перетворень, які діють безупинно, на зразок обертань у звичайному просторі або
змішування електронів і нейтрино в электрослабой теорії, називаються Чи групами - по ім'ю норвезького математика
Софуса Чи. Французький математик Елі Картан у своїй дисертації в 1894 р. дав повний список всіх «простих» груп
Чи117, за допомогою комбінацій яких можна побудувати всі інші групи. В 1960 р. Мюррей Гелл-Манн і
ізраїльський фізик Ювал Нееман незалежно виявили, що одна із цих простих Чи груп, відома за назвою
SU{3), саме правильно описує структуру сімейств безлічі елементарних часток згідно з експериментальними
даними. Гелл-манн запозичив деякі поняття буддизму й назвав нову симетрію восьмеричним шляхом5', тому що
відомі на досвіді частки найкраще ділилися на сімейства по вісьмох членів, як протон, нейтрон і шість їх
родичів. На той час не всі сімейства були повними. Так, потрібна була нова частка, щоб заповнити сімейство
з десяти часток, схожих на нейтрон, протон і гіперони, але втроє більший спин, що мають. Одним з більших успіхів
нової SU{3) симетрії стало те, що передвіщена частка була обнару-
5) Мова йде про знамениту першу проповідь Сиддхартхи Гаутамы (Будди), у якій він сформулював
восьмеричний шлях рятування від страждань і досягнення вічного блаженства (нірвани): правильні
погляди, правильні наміри, правильні мови, правильні дії й т.д. - Прим. з.
124
дружина в 1964 р. у Брукхейвене118, причому значення її маси збіглося з теоретичною оцінкою Гелл-Манна.
[...]
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