Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

• калибровочная симметрия SU (3) – для локальной версии вращения в пространстве свойств сильного заряда.

Историческое происхождение термина «калибровочная симметрия» довольно интересно. Оно обсуждается в примечаниях в конце книги.

Мы можем подвести итог нашему обсуждению справедливым образом так, чтобы это запомнилось:

Гравитоны – это воплощения общей ковариантности.

Фотоны – это воплощения калибровочной симметрии 1.0.

Виконы – это воплощения калибровочной симметрии 2.0.

Цветные глюоны – это воплощения калибровочной симметрии 3.0.

Давайте отпразднуем эту выдающуюся плодотворность дуализма

Идеальное ↔ Реальное

подходящим рисунком (вклейка LL). Когда объекты, содержащие симметричные детали, фотографируют с помощью объектива «рыбий глаз», симметрия различных деталей отображается по-разному, в зависимости от пространственного положения. Такие изображения могут передавать дух локальной симметрии в подходящей, странно красивой визуальной форме.

И в заключение (с помощью илл. 33) давайте переключим наше внимание с результатов теорий с локальной симметрией на процесс их создания. Это трехступенчатый процесс. Мы должны выбрать объекты, которые мы хотим изобразить (материя), то, как мы разрешим им выглядеть (преобразования), и среды, которые будут обеспечивать эти преобразования (флюиды). Этот рисунок, показывающий процесс создания анаморфного искусства, является уточненной версией вклеек K и L. Наш современный Мастер – рачительный ремесленник, но теперь мы знаем, что его мысли более изобретательны, его инструменты более разнообразны – и его подход более игрив, – чем у Мастера, которого представлял себе Блейк.

Илл. 33. Процесс создания анаморфного искусства

Где определяет что

Когда частица движется в пространстве свойств, на обычном языке мы бы сказали, что она превращается в частицу другого вида. Скажем, «красный» кварк – т. е. кварк с единицей красного заряда – может превратиться в «синий» кварк. Но теперь у нас есть другой, более глубокий способ рассматривать эту ситуацию. С этой новой точки зрения мы видим, что эти две частицы – красный кварк и синий кварк – на самом деле являются одной и той же сущностью, занимающей разные положения! Таким образом, что это кодируется тем, где оно находится.

Поскольку цветные глюоны реагируют именно на цветовой заряд, то они решают, что им делать, «смотря», где расположены частицы – или, в более общей формулировке, как выглядит распределение волновых функций или полей в пространстве цветовых свойств. Для этих глюонов важно положение и еще раз положение – положение в этом пространстве свойств, равно как и положение в пространстве-времени. И наоборот, когда мы наблюдаем за поведением цветных глюонов, мы получаем информацию из пространства цветового заряда. Пространства свойств, сначала введенные в качестве подспорья воображению, превращаются тем самым в осязаемые элементы действительности.

Часть 2. Сильное взаимодействие более конкретно

Открывая атомные ядра

Основное открытие, которое привело к современным успешным атомным моделям, было сделано Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1911 г. Работая в лаборатории Резерфорда и реализуя его идею, Гейгер и Марсден изучали отклонение тонким слоем золотой фольги альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде радия. Они наблюдали случаи сильного отклонения. Резерфорд рассказывал об этом эпизоде так:

Это было самым потрясающим событием из всех, что случались со мной в жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым [артиллерийским] снарядом в кусочек папиросной бумаги, а он бы отлетел назад и попал в вас. Подумав, я понял, что такое обратное рассеяние должно быть результатом единственного столкновения, и когда я произвел расчеты, я увидел, что можно было получить что-либо близкое к такому порядку величины, если только взять систему, в которой большая часть массы атома сосредоточена в мельчайшем ядре. И именно тогда у меня появилась идея атома с очень маленьким массивным центром, несущим заряд…

Резерфорд предложил определенную, удивительно простую модель, объяснявшую наблюдения. Он предположил, что в каждом атоме есть крошечное ядро, содержащее весь его положительный заряд и практически всю его массу. Это могло объяснить редкое, но мощное обратное рассеяние – ядро не хочет двигаться (потому что оно тяжелое) и оно способно оттолкнуть альфа-частицу (так как в нем сконцентрирован заряд). Резерфорд сделал это рабочей моделью и подтвердил ее, количественно объяснив рассеяния на большие углы. Остальная часть атома, согласно Резерфорду, состояла из гораздо более легких отрицательно заряженных электронов, каким-то образом распределенных по гораздо большему объему.

Это был эпохальный результат. Он показал, что понимание структуры атома можно удобно разделить на две задачи. Первая задача – то, что мы сейчас называем атомной физикой, – это рассматривать тяжелое, положительно заряженное ядро как данность и после этого определять, как с ним связываются электроны. Мы обсудили эту область квантовой красоты до этого.

Вторая задача – то, что мы сейчас называем ядерной физикой, – это понять, из чего сделаны эти центры атомов и каким законам они подчиняются.

Быстро стало ясно, что одни лишь электрические силы не могут объяснить физику ядер. Действительно, чисто электрическая модель не могла решить проблему с концентрацией положительного заряда в ядре атома. Не будучи уравновешена другой, более мощной силой, сила электрического отталкивания должна была разорвать ядро на части. Гравитация? При таких крошечных массах ей можно полностью пренебречь. За это должны были отвечать новые силы, неизвестные классической физике.

Ядерная физика поставила две задачи: экзистенциальную и динамическую. Экзистенциальная заключается в том, чтобы определить ингредиенты ядер, а динамическая – в том, чтобы понять силы, с которыми эти составляющие действуют друг на друга. С переписью ингредиентов расправились через несколько лет, и это было довольно просто. Один компонент был более или менее очевиден. Ядро водорода стабильно, (по всей видимости) неделимо и имеет единичный (положительный) электрический заряд. Оно самое легкое из всех ядер, и другие легкие ядра имеют массы, близкие к целому числу его масс. Следовательно, этот протон – названный так Резерфордом – один из ингредиентов.

Второй компонент был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 г. Нейтрон – это электрически нейтральная частица лишь чуть-чуть тяжелее протона. Его открытие дало нам простое, но полезное представление о том, что такое атомные ядра: они являются совокупностью протонов и нейтронов, связанных друг с другом. С таким представлением многие наблюдаемые факты встали на свои места. Например, ядра разных химических элементов различаются только числом протонов, которые они содержат, поскольку это число определяет электрический заряд ядра, от которого зависит его взаимодействие с окружающими атом электронами, последние же в свою очередь обуславливают его химию. Разное количество протонов в ядре дает атомы различных химических элементов. С нейтронами в качестве второго игрока мы решаем загадку изотопов. Атомы, содержащие изотопические ядра, имеют одинаковые химические свойства, но различаются по массе. Их ядра содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Таким образом, простая модель атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, объясняла одновременно разнообразие химических элементов и существование изотопов.

Считалось, что следующим шагом будет выяснить, какие силы действуют между протонами и нейтронами и удерживают их вместе. Как мы уже говорили, нужны были новые силы, поскольку электромагнитное взаимодействие стремится разорвать ядра на части, а гравитационное столь слабо, что им можно пренебречь.

Однако эксперименты по исследованию ядерных сил вскоре пошли неожиданными путями. Практически все они следовали стратегии первоначального эксперимента Гейгера – Марсдена. Чтобы исследовать, скажем, взаимодействие между протонами, пучком протонов стреляли по другим протонам (по водородной мишени) и следили за тем, что из этого получается. Наблюдая отклонения на разные углы, можно попытаться сделать выводы об ответственной за это силе. Использование пучков с протонами различных энергий и с протонами, вращающимися в разных направлениях, улучшает анализ. Эксперименты такого типа вскоре показали, что силы, действующие между протонами и нейтронами, не подчиняются простому уравнению. Они зависят не только от расстояния, но и от скорости и спина, причем сложным образом.