Адрон

Физическая частица, основанная на кварках и глюонах (сами кварки и глюоны в расчет не берутся, поскольку они не могут существовать в свободном состоянии). Наблюдается два основных вида адронов: мезоны и барионы. Мезоны возникают, когда кварк и антикварк приходят в равновесие с Сеткой. Барионы появляются, когда в равновесие с Сеткой приходят три кварка. Обнаружено много десятков различных мезонов и барионов. Почти все они очень неустойчивы. Могут также существовать глюболы, образованные двумя или тремя глюонами. Имеют место некоторые разногласия относительно существования глюболов, поскольку на наблюдаемых частицах нет надписей!

Аксион

Гипотетическая частица, предсказанная в классе теорий, исправляющих эстетические изъяны Центральной теории (нарушение пространственно-временной четности в слабых взаимодействиях). Предполагается, что аксионы очень слабо взаимодействуют с обычной материей и должны были образоваться в момент Большого взрыва с плотностью, примерно достаточной для создания темной материи. Поэтому аксионы являются хорошими кандидатами на звание основного компонента темной материи.

Амплитуда (квантовая)

Квантовая механика позволяет предсказать вероятности различных событий, однако уравнения квантовой механики формулируются с использованием амплитуд, которые являются своего рода предвероятностью. Если точнее, то вероятность — это квадрат амплитуды. (Для специалистов: амплитуды, как правило, представляют собой комплексные числа, а вероятность равна квадрату их абсолютной величины.) Термин «амплитуда» используется для описания высот волн многих видов, например, океанических, звуковых или радиоволн. Квантово-механические амплитуды — это, по существу, высоты квантово-механических волновых функций. Дополнительную информацию и примеры вы можете найти в главе 9. См. также: Волновая функция.

Антиматерия

Материя, с которой мы обычно имеем дело и из которой состоим, состоит из электронов, кварков, фотонов и глюонов. Вещество, состоящее из соответствующих античастиц: антиэлектронов (также известных как позитроны), антикварков, фотонов и глюонов, часто называется антиматерией (обратите внимание, что фотоны и глюоны являются своими собственными античастицами. Точнее, одни глюоны являются античастицами других; все восемь глюонов составляют полный набор частиц, замкнутый на себя). См. также: Античастица.

Античастица

Античастица данной частицы имеет ту же массу и спин, что и эта частица, но противоположное значение электрического заряда и других сохраняющихся величин. Исторически первыми обнаруженными античастицами были антиэлектроны, также известные как позитроны. Они были теоретически предсказаны Дираком и впоследствии наблюдались Карлом Андерсоном в космических лучах. Важным следствием квантовой теории поля является то, что для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Фотон является

 

своей собственной античастицей; это возможно, поскольку фотоны электрически нейтральны. Пары «частица — античастица» могут иметь нулевые значения всех сохраняющихся квантовых чисел; таким образом, они могут быть получены из чистой энергии, а также могут возникать спонтанно в качестве квантовых флуктуаций (виртуальных пар).

Аромат

В современной физике это малопонятное свойство кварков и лептонов; он имеет три возможных значения и не зависит от зарядов частиц. Например, существует три различных аромата U-кварков — u (верхний), c (очарованный) и t (истинный). Каждый из них имеет один и тот же электрический заряд 2e/3 и одну единицу цветного заряда (красного, белого или синего). Кроме того, существует три аромата D-кварков — d (нижний), s (странный) и b (прелестный), они также соответствуют трем цветам, а их электрический заряд равен –e/3. Существует также три аромата лептонов — е (электрон), μ (мюон), (тау-лептон), которые имеют электрический заряд –е, но не имеют никакого цветного заряда, и, наконец, есть три вида нейтрино, не имеющих ни электрического, ни цветного заряда. В каждой из этих групп частицы с различным ароматом участвуют в одинаковых взаимодействиях, описываемых Центральной теорией. Они различаются по массе, иногда очень значительно (например, t-кварк по меньшей мере в 35 000 раз тяжелее u-кварка). Слабые взаимодействия делают возможными преобразования одних ароматов в другие. Не существует хорошего теоретического объяснения того, почему массы таковы, каковы они есть.

Несмотря на то что W-бозоны меняют ароматы, было бы неверно думать, что аромат играет ту же роль в слабых взаимодействиях, что и цвет в сильном взаимодействии. W-бозоны реагируют не непосредственно на свойство аромата, а на другую пару зарядов, которые я назвал

 

слабыми цветными зарядами. W-бозоны меняют ароматы, так сказать, ради забавы; это не то, что ими руководит. Причины возникновения трех комплектов частиц с одинаковыми наборами зарядов и соответствующих каждому комплекту правил смены аромата, по которым играют W-бозоны, остаются глубокой тайной.

Асимптоти-ческая свобода

Концепция, согласно которой сильное взаимодействие становится слабее на малых расстояниях. Если конкретнее, то эффективные цветные заряды, которые регулируют мощность сильного взаимодействия, уменьшаются на малых расстояниях. Другими словами, величина данного изолированного цветного заряда увеличивается с увеличением расстояния. Физически это происходит потому, что источник заряда индуцирует облако виртуальных частиц, которое антиэкранирует его. Следствием асимптотической свободы является то, что излучение быстро движущегося цветного заряда, который движется в том же направлении (мягкое излучение), встречается часто, а излучение, которое изменяет общее направление потока, — редко. Мягкое излучение предоставляет кваркам партнеров, с которыми они могут соединиться, образуя адроны; однако общий поток подчиняется закономерности, заданной лежащими в основе кварками (а также антикварками и глюонами). Таким образом, мы «видим» кварки и глюоны не как отдельные частицы, а в виде струй, которые они индуцируют. В случае кварков мы можем иметь все и сразу. См. также: Заряд без заряда, Струя.

БАК

Сокращенно от «Большой адронный коллайдер». БАК располагается в старом туннеле коллайдера БЭПК в ЦЕРНе. Он использует протоны вместо электронов и позитронов и достигает более высоких уровней энергии. Будет удивительно, если на ускорителе БАК не произойдут великие открытия. Как минимум мы должны выяснить, что делает Сетку оригинальным сверхпроводником.

Барион

Один из двух основных классов сильно взаимодействующих частиц (адронов). Грубо говоря, барионы можно рассматривать как частицы, сформированные из трех кварков. Точнее, они являются результатом достижения равновесия между тремя кварками и Сеткой. Полная волновая функция для бариона содержит, помимо трех кварков, произвольное количество пар кварк — антикварк и глюонов. Протоны и нейтроны, строительные блоки атомных ядер, являются барионами. См. также: Адрон.

Бозон

Квантовая теория, а точнее, квантовая теория поля придает новый смысл понятию о двух абсолютно одинаковых или неразличимых объектах. Если у вас есть, скажем, два фотона в состояниях A и B в данный момент и два фотона в состояниях A' и B' в более поздний момент, нельзя сказать, что имел место переход A A', B B' или A B', B A'. Необходимо учитывать обе возможности. В случае бозонов амплитуды вероятности складываются, в случае фермионов — вычитаются. Фотоны являются бозонами. Следствием будет то, что фотоны стремятся перейти в одно и то же состояние, так как амплитуды вероятности таких переходов удваиваются. Этот эффект используется в лазерах. Фотоны, глюоны, W и Z являются бозонами, как и мезоны и гипотетическая частица Хиггса. Мы часто говорим, что бозоны подчиняются статистике Бозе, или статистике Бозе — Эйнштейна, названной так в честь пионеров физики, которые разъяснили последствия этого поведения для систем, содержащих много одинаковых частиц.

Буст-повышение (нечасто упоминаемый, но живой термин)

Преобразование, которое заставляет систему, включая все ее компоненты, двигаться с постоянной скоростью. Современный взгляд на специальную теорию относительности заключается в том, что она постулирует буст-симметрию. Таким образом, законы физики должны выглядеть одинаково после такого преобразования.

 

Вследствие этого, изучая физическое поведение исключительно в замкнутой изолированной системе, невозможно измерить, насколько быстро она движется.

БЭПК

Сокращенное название Большого электрон-позитронного коллайдера. Этот ускоритель работал в европейской лаборатории ЦЕРН близ Женевы в 1990-х годах. Грубо говоря, он делал снимки пустого пространства с еще более высоким разрешением, чем коллайдер Стэнфордского центра линейного ускорителя. Для этого электроны и их античастицы (позитроны) ускорялись до огромных энергий, затем они аннигилировали, производя интенсивный выброс энергии в чрезвычайно малом объеме. БЭПК представлял собой машину для творческого разрушения. Эксперименты, проводимые на этом ускорителе, протестировали и доказали положения Центральной теории с необычайной количественной точностью. См. также: СЦЛУ.

Вершина

См.: Узел.

Виртуальная частица

Спонтанная флуктуация в квантовом поле. Реальные частицы представляют собой возбуждения в квантовых полях, которые относительно устойчивы и доступны для наблюдения. Виртуальные частицы мимолетны, они присутствуют в наших уравнениях, но не фиксируются экспериментальными детекторами. Поставляя в систему энергию, можно усилить спонтанные флуктуации так, чтобы они превысили пороговое значение, что фактически превратит (потенциальные) виртуальные частицы в реальные.

Волновая функция

В квантовой теории состояние частицы не определяется положением или конкретным направлением спина; вместо этого первичное описание состояния включает его волновую функцию. Волновая функция определяет для каждого возможного положения и направления спина комплексное число — так называемую амплитуду

 

вероятности. Квадрат абсолютного значения амплитуды вероятности сообщает вероятность нахождения частицы в конкретном положении с конкретным направлением спина. Для систем, состоящих из большого количества частиц или полей, волновая функция аналогичным образом задает амплитуды для всех возможных физических характеристик, которые вы могли бы обнаружить после проведения измерения. Простой, но не упрощенный, пример работы волновых функций обсуждается в главе 9.

Гиперзаряд

Средний электрический заряд нескольких частиц, связанных симметрией. В контексте единых теорий гиперзаряд является более фундаментальным по сравнению с электрическим зарядом; тем не менее это различие проявляется на более тонком уровне технических подробностей, чем я попытался изложить в большей части этой книги.

Глюон

Любой из набора восьми частиц-посредников сильного взаимодействия. Глюоны обладают свойствами, подобными свойствам фотонов, однако реагируют на (и изменяют) цветные заряды, а не на электрический заряд. Уравнения для глюонов обладают колоссальной локальной симметрией, которая во многом определяет их форму. См. также: Хромодинамика, Локальная симметрия, Уравнения Янга — Миллса.

Диаграммы Фейнмана

Диаграммы Фейнмана — это наглядные представления процессов, описываемых квантовой теорией поля. Они состоят из линий, соединенных в узлах (также называемых вершинами). Линии представляют собой свободное движение частиц через пространство-время; узлы представляют собой взаимодействия. В свете этой интерпретации диаграмма Фейнмана отображает возможный процесс в пространстве-времени — некоторые (реальные или виртуальные) частицы взаимодействуют, в результате чего может измениться их квантовое состояние. Существуют четкие правила распределения амплитуд

 

вероятности для процесса, изображенного на диаграмме Фейнмана. Согласно правилам квантовой теории квадрат абсолютного значения амплитуды соответствует вероятности процесса.

Замедление времени

Эффект, который, если смотреть со стороны, проявляется как замедление течения времени в движущейся системе. Замедление времени является следствием специальной теории относительности.

Единая теория

Различные компоненты Центральной теории основаны на общих принципах — квантовой механике, относительности и локальной симметрии, однако в рамках Центральной теории они остаются разделенными и отличными друг от друга. Существуют отдельные преобразования симметрии для цветных зарядов КХД, слабых цветных зарядов стандартной электрослабой теории и гиперзаряда. При этих преобразованиях кварки и лептоны делятся на шесть не связанных между собой классов (на самом деле на 18, учитывая наличие трех ароматов). Вся эта структура побуждает нас рассмотреть возможность большей, всеохватывающей симметрии. Изучив математические возможности, можно обнаружить, что многие вещи вписываются в нее довольно хорошо. Относительно небольшое расширение уравнений позволяет рассматривать все известные симметрии как части удовлетворяющего целого, а также сводить вместе разрозненные кварки и лептоны. Дополнительным преимуществом является то, что гравитация, которая казалась безнадежно слабее других фундаментальных сил, также находит свое место. Вероятно, для количественного подтверждения идей мы также должны включить суперсимметрию. Расширенные уравнения предсказывают существование многих новых частиц и явлений. Как говорилось в главах 17–21, эти теории представлены на суд присяжных и некоторые приговоры должны быть оглашены уже в скором будущем.

Закон сохранения

Величина сохраняется, если ее значение для изолированной системы не меняется со временем. Заряд, энергия и импульс являются важными примерами сохраняющихся величин. Законы сохранения чрезвычайно важны, поскольку они обеспечивают устойчивые ориентиры среди непрекращающихся колебаний квантовой Сетки.

Заряд

В электродинамике заряд представляет собой физическое свойство, на которое реагируют электрические и магнитные поля (магнитные поля реагируют только на движущиеся заряды). В ее квантовой версии, КЭД, мы можем просто сказать, что заряд — это то, о чем заботятся фотоны (они обеспечивают взаимодействие зарядов). Заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Частицы с одинаковым электрическим зарядом (обе заряжены положительно или обе заряжены отрицательно) отталкиваются, в то время как частицы с противоположными зарядами притягиваются. Важным свойством заряда является то, что он сохраняется. Каждый вид фундаментальной частицы несет некоторый заряд, в том числе нулевой; заряд является стабильной характеристикой частиц соответствующего типа. Например, все электроны имеют одинаковое количество заряда, обычно обозначаемое –e (сбивает с толку то, что некоторые авторы используют обозначение e без знака «минус»; насколько мне известно, соглашение по этому поводу не достигнуто). Протоны обладают зарядом e, противоположным заряду электронов. Полный заряд системы — это просто сумма зарядов всех ее элементов. Таким образом, атомы, которые содержат равное количество протонов и электронов, имеют в целом нулевой заряд. В теории сильного взаимодействия центральную роль играют три дополнительных вида зарядов, называемых цветными зарядами или просто цветами. Цветные заряды имеют схожие свойства с электрическим зарядом,

 

например, они сохраняются. В КХД взаимодействие цветных зарядов обеспечивают глюоны. См. также: Поле, Электродинамика, Цвет, Хромодинамика.

Заряд без заряда

Концептуальное следствие асимптотической свободы. Эффективный цветной заряд данного источника уменьшается с увеличением расстояния. Ненулевое конечное значение заряда на ненулевом расстоянии соответствует нулевому в пределе нулевого расстояния. Таким образом, точечный источник создает заряд, не имея заряда. Это трюк, достойный Чеширского Кота.

Импульс

Центральное понятие в физике. Первоначальной и наиболее очевидной формой импульса является механический импульс, связанный с движением частиц. В дорелятивистской механике импульс тела определялся путем умножения его массы на скорость. Ньютон назвал импульс «количеством движения», и он появляется в его втором законе: скорость изменения импульса тела равна действующей на него силе. В специальной теории относительности импульс тесно связан с энергией. При буст-преобразованиях энергия и импульс смешиваются друг с другом, подобно времени и пространству. Совокупный импульс изолированной системы сохраняется.

В современных физических теориях импульс выступает в качестве первичного понятия на том же основании, что и пространство, с которым он глубоко связан. Например, расстояние D, необходимое для прохождения пространственно-периодических электрических возмущений, связанных с фотоном, через один полный цикл, соотносится с импульсом фотона P как PD = h, где h — постоянная Планка. В рамках этих теорий сохранение импульса следует из симметрии уравнений относительно пространственной трансляции, или, выражаясь простым языком, из того факта, что законы везде одинаковы. Ср. с Энергией.

Калибровоч-ная симметрия

См.: Локальная симметрия.

Квантовое поле

Заполняющий пространство объект, который подчиняется законам квантовой теории. Квантовые поля — это законные «дети» от «брака» между квантовой механикой и специальной теорией относительности. Квантовые поля отличаются от классических полей тем, что они проявляют спонтанное поведение, также известное под названием квантовых флуктуаций или виртуальных частиц, все время и повсеместно. Центральная теория, которая объединяет наше лучшее актуальное понимание фундаментальных процессов, формулируется в терминах квантовых полей. Частицы проявляются в качестве вторичных последствий; они представляют собой локализованные возмущения в первичных объектах, то есть в квантовых полях.

К общим последствиям квантовой теории поля, которые не вытекают из квантовой механики или классической теории поля в отдельности, относятся: существование типов частиц, являющихся одинаковыми повсюду и во все времена (например, все электроны имеют одинаковые свойства); существование квантовой статистики (см.: Бозон, Фермион); существование античастиц; неизбежная ассоциация частиц с силами (например, из существования электрических и магнитных сил можно вывести фотоны); вездесущность преобразования частиц (квантовые поля создают и уничтожают частицы); необходимость простоты и высокой симметрии для обеспечения согласованности законов взаимодействия; и асимптотическая свобода (см.: Асимптотическая свобода). Все эти следствия квантовой теории поля являются важными аспектами физической реальности, как мы ее воспринимаем.

Кварк

Наряду с глюонами кварки являются участниками сильного взаимодействия (экспериментальный аспект) или КХД (теоретический аспект). Они представляют собой фермионы со спином 1/2. Существует три различных аромата U-кварков — u (верхний), c (очарованный) и t (истинный), каждый из них имеет один и тот же электрический заряд 2e/3 и одну единицу цветного заряда (красного, зеленого или синего); кроме того, существует три аромата D-кварков — d (нижний), s (странный) и b (прелестный), каждый из них также имеет электрический заряд –e/3 и цветной заряд одного из трех цветов. Процессы слабого взаимодействия могут трансформировать различные ароматы друг в друга. Таким образом (цветные) глюоны меняют цветной заряд кварка, но не его аромат, в то время как W-бозоны меняют аромат, но не цветной заряд. Кварки не наблюдаются непосредственно, но оставляют свою подпись в струях (экспериментальный аспект) и используются в качестве строительных блоков для построения наблюдаемых адронов (теоретический аспект). Все взаимодействия Центральной теории сохраняют разность общего количества кварков и антикварков. Это называется сохранением барионного числа и обеспечивает стабильность протонов. Единые теории обычно предполагают существование взаимодействий, которые превращают кварки в лептоны, а также могут приводить к распаду протонов. До сих пор такого распада не наблюдалось. См. также: Выделенные курсивом слова.

Конфайнмент

Тот факт, что кварки никогда не наблюдаются изолированно. Если точнее, то для любого наблюдаемого состояния разность количества кварков и антикварков кратна трем. Конфайнмент — это математическое следствие хромодинамики, которое нелегко продемонстрировать.

Космологи-ческий член

Логическое расширение уравнений общей теории относительности. На языке геометрии космологический член либо поощряет равномерное расширение пространства-времени, либо препятствует ему (в зависимости от его знака). Кроме того, космологический член можно интерпретировать как влияние постоянной плотности энергии (положительной или отрицательной) на метрическое поле. Эта плотность сопровождается давлением р, связанным с ней посредством «хорошо темперированного уравнения» = –р/с2.

Кредитный счет

Причудливое название унифицированной системы учета кварков и лептонов, которое в полной мере объясняет характер их сильных (цветных), слабых и электромагнитных зарядов. В качестве математической структуры используется спинорное представление группы SO(10), а также конкретный выбор подгруппы SU(3) × SU(2) × U(1). Выбор подгруппы определяет, как Центральная теория встраивается в единую теорию. Если мы допускаем только преобразования установленной, меньшей центральной симметрии, единый кредитный счет распадается на шесть несвязанных фрагментов, а специфический характер электрических зарядов (или, что то же самое, гиперзарядов) остается без объяснения. См. также: Единая теория.

Кредо иезуитов

«Блаженнее просить прощения, чем разрешения». Это глубокая истина.

КХД

Сокращенное название квантовой хромодинамики. См. также: Хромодинамика.

КЭД

Сокращенное название квантовой электродинамики. Это версия электродинамики, включающей квантовую теорию. Полям в ней свойственны спонтанные флуктуации (виртуальные фотоны), а их возмущения проявляются в виде дискретных, частицеподобных единиц (реальные фотоны). См. также: Электродинамика, Фотон, Квантовое поле.

Лептон

e (электрон), μ (мюон), (тау-лептон), а также соответствующие им нейтрино. Эти частицы несут нулевой цветной заряд. Частицы e, μ и имеют один и тот же электрический заряд –e. (Да, я понимаю, что один и тот же символ используется для обозначения разных вещей. Если подумать, то это часто бывает с буквами.) Нейтрино несут нулевой электрический заряд. Все они участвуют в слабых взаимодействиях.

Существуют очень хорошие (но не совершенные) законы сохранения, согласно которым разность общего числа электронов и антиэлектронов, плюс разность общего числа электронных нейтрино и антинейтрино не меняется со временем (несмотря на то что отдельные числа могут изменяться), то же касается частиц μ и . Например, при распаде мюона конечным продуктом является электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино. И начальное состояние, и конечное состояние имеют мюонное лептонное число 1 и электронное лептонное число 0. Эти «законы сохранения лептонного числа» нарушаются явлением нейтринных осцилляций. Небольшое нарушение закона сохранения лептонного числа было предсказано едиными теориями. Его наблюдение побуждает нас считать, что эти теории развиваются в правильном направлении. См. также: Нейтрино.

Локальная симметрия

Симметрия, поддерживающая независимые преобразования в разных областях пространства-времени. Локальная симметрия — очень мощное требование, которому соответствуют далеко не все уравнения. И наоборот, принимая локальную симметрию, мы приходим к вполне конкретным уравнениям, вроде уравнений Максвелла и Янга — Миллса. Именно эти уравнения характеризуют Центральную теорию и мир. Локальная симметрия также называется калибровочной симметрией по интересным, но неясным историческим причинам. См. также: Симметрия, Уравнения Максвелла, Уравнения Янга — Миллса.

Масса

Свойство частицы или системы, являющееся мерой ее инерции (то есть масса частицы показывает нам, насколько трудно изменить ее скорость). На протяжении веков ученые считали, что масса сохраняется, но теперь мы знаем, что это не так.

Масса без массы

Концепция, реализованная в современной физике, согласно которой объекты с ненулевой массой могут создаваться из строительных блоков с нулевой массой.

Мезон

Тип сильно взаимодействующей частицы, или адрона. См. также: Адрон.

Метрическое поле

Поле, которое можно рассматривать как определяющее единицы для измерения времени и расстояния (во всех направлениях) в точке пространства-времени. Таким образом, само пространство содержит линейки и часы для его измерения. Обычные линейки и часы переводят эту основополагающую структуру в доступные формы. Материя влияет на метрическое поле, и наоборот. Их взаимодействие описывается общей теорией относительности и порождает наблюдаемую силу гравитации. См. также: Общая теория относительности.

Нейтрино

Вид элементарной частицы, которая не имеет ни электрического, ни цветного заряда. Нейтрино представляют собой фермионы со спином 1/2. Существует три разных типа или аромата нейтрино, связанных с тремя ароматами заряженных лептонов (электронов — е, мюонов — μ и тау-лептонов — ). В процессах слабого взаимодействия заряженные лептоны и их античастицы могут быть преобразованы в нейтрино и их античастицы, но всегда с сохранением лептонных чисел. (См.: Лептоны.) Солнце обильно испускает нейтрино, но их взаимодействия настолько слабы, что почти все они свободно проходят сквозь Солнце, не говоря уже о Земле, когда оказывается на их пути. Тем не менее в ходе смелых экспериментов

 

была обнаружена малая доля нейтрино, которые все-таки провзаимодействовали с детектором. Недавно было установлено, что различные типы нейтрино при их распространении на большие расстояния осциллируют, переходя из одной формы в другую (например, электронное нейтрино может превращаться в мюонное нейтрино). Такие колебания нарушают лептонные законы сохранения. Их существование и приблизительная величина согласуются с предусмотренными едиными теориями.

Нейтрон

Легко опознаваемая комбинация кварков и глюонов, а также важный компонент обычной материи. Отдельные нейтроны являются неустойчивыми; они распадаются на протон, электрон и электронное антинейтрино со временем жизни около 15 минут. Тем не менее нейтроны, связанные в ядра, могут быть стабильными. Ср. с Протоном.

Общая теория относитель-ности

Теория гравитации Эйнштейна, основанная на идее искривленного пространства-времени, или, иначе говоря, на метрическом поле. В полевой формулировке общая теория относительности в широком смысле напоминает электромагнетизм. Но, в то время как электромагнетизм основан на отклике электрических и магнитных полей на заряды и токи, общая теория относительности основана на отклике метрического поля на энергию и импульс. См. также: Метрическое поле.

Обычное вещество

Физическое вещество, изучаемое в биологии, химии, материаловедении и технике, а также в большей части астрофизики. Это вещество, из которого состоят люди, их домашние животные и машины. Обычное вещество состоит из u- и d-кварков, электронов, глюонов и фотонов. У нас есть точная и удивительно полная теория, описывающая обычное вещество: Центральная теория.

Планковские единицы измерения

Единицы измерения длины, массы и времени, полученные на основе значений величин, которые присутствуют в физических законах, а не на основе эталонных объектов. Таким образом, не нужен ни стандартизированный эталон метра (или королевская конечность) для сравнения длин, ни вращающаяся Земля для отслеживания времени, ни эталон килограмма. Вместо этого планковские единицы измерения создаются путем возведения в степень и деления скорости света (c), постоянной Планка (h) и постоянной Ньютона (G), которая фигурирует в уравнениях для гравитации. Единицы Планка не используются в практической работе: планковские единицы длины и времени абсурдно малы; планковская единица массы абсурдно велика в масштабах атома, но очень мала в человеческих масштабах. Тем не менее планковские единицы имеют большую теоретическую важность. Они ставят задачу вычисления таких чисто числовых величин, как масса протонов в единицах Планка (поскольку вычислить массу стандартного килограмма невозможно, «проблема» вычисления массы протона в килограммах является плохо обусловленной).

Если экстраполировать существующие законы физики далеко за пределы тех масштабов, в которых они были протестированы, мы обнаружим, что квантовые флуктуации в метрическом поле во временных и пространственных масштабах, меньших планковской длины и времени, настолько важны по сравнению со своим средним значением, что практическое значение длины и времени теряет смысл. В этой книге приводятся важные указания на объединение различных сил природы, в частности на то, что их величины становятся равными, когда они измеряются в планковских единицах в масштабе планковской длины.

Поле

Сущность, заполняющая пространство. Полевая концепция появилась в физике в XIX веке благодаря работе Фарадея и Максвелла, посвященной электричеству и магнетизму. Они обнаружили, что законы электричества и магнетизма можно сформулировать проще всего, если ввести идею о существовании невидимых электрических и магнитных полей, заполняющих все пространство. Сила, оказывающая влияние на электрический заряд в точке, дает меру силы электрического поля в этой точке; однако в концепции Фарадея — Максвелла поле существует вне зависимости от существования заряженной частицы, чувствительной к нему. Таким образом, поля живут своей собственной жизнью. Плодотворность этой концепции проявилась очень скоро, когда Максвелл обнаружил, что самовосстанавливающиеся возмущения в электрическом и магнитном полях можно интерпретировать как свет, не ссылаясь на какие-либо материальные заряды или токи.

В квантовой версии электродинамики электромагнитные поля рождают и уничтожают фотоны. В более общем смысле виды возбуждений, которые мы воспринимаем как частицы (электроны, кварки, глюоны и т.д.), создаются и уничтожаются различными полями (электронным полем и т.д.), которые являются первичными объектами. Это дает нам самое фундаментальное понимание того жизненно важного факта, что любые два электрона в любом месте Вселенной имеют одинаковые основные свойства. Оба они созданы одним и тем же полем!

Иногда физики или инженеры делают заявления вроде этого: «Я свел на нет электрическое и магнитное поля в своей специальной экранированной лаборатории». Не обманывайтесь! Это означает, что было занулено среднее значение этих полей; тем не менее электромагнитное поле как сущность все еще присутствует.

 

В частности, электромагнитное поле будет по-прежнему реагировать на токи зарядов внутри экранированной лаборатории, и оно все еще наполнено квантовыми флуктуациями, то есть виртуальными фотонами. Аналогичным образом средние значения электрических и магнитных полей в глубоком космосе равны нулю или почти равны, но сами поля простираются повсюду и поддерживают распространение световых лучей на сколь угодно большие расстояния. (Поле уничтожает фотон в одной точке, создает новый в следующей точке...) См. также: Квантовое поле.

Постоянная Планка

Физическая константа, которая играет центральную роль в квантовой теории. Она встречается, например, в соотношении E = h , связывающем энергию фотона с частотой света, который он представляет, или в соотношении p = h / , связывающем импульс фотона с длиной волны света.

Протон

Очень устойчивая комбинация кварков и глюонов. Когда-то считалось, что протоны и нейтроны являются фундаментальными частицами; теперь мы понимаем, что они представляют собой сложные объекты. Можно построить полезную модель атомных ядер, используя идею о том, что они являются связанной системой, состоящей из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу; нейтрон примерно на 0,2 % тяжелее. Протоны имеют электрический заряд e, равный по величине заряду электронов, но противоположный по знаку. Ядра атомов водорода являются одиночными протонами. Известно, что протоны живут по меньшей мере 1032 лет, что намного превышает время жизни Вселенной, однако единые теории предполагают, что их продолжительность жизни не может намного превышать существующий предел и для проверки этого предположения проводятся важные эксперименты.

РКТИ

Сокращенное название Релятивистского коллайдера тяжелых ионов. РКТИ находится на Лонг-Айленде, в Брукхейвенской национальной лаборатории. Столкновения на РКТИ в очень небольшом объеме и в течение очень коротких периодов времени воспроизводят экстремальные условия, подобные тем, которые имели место в самые ранние моменты Большого Взрыва.

Сверхпро-водник

Некоторые вещества при охлаждении до очень низких температур переходят в фазу, в которой их отклик на электрическое и магнитное поля приобретает качественно новые особенности. Их электрическое сопротивление исчезает, и они в значительной степени вытесняют магнитные поля (эффект Мейсснера). Мы говорим, что они становятся сверхпроводниками. Математическое описание электромагнитного поведения сверхпроводников показывает, что внутри сверхпроводников фотоны приобретают ненулевую массу.

W- и Z-бозоны, несмотря на то что во многом напоминают фотоны, — имеют спин 1 и реагируют на (слабые цветные) заряды, — имеют ненулевую массу. На первый взгляд, эта ненулевая масса исключила бы привлекательную идею о том, что W- и Z-бозоны, подобно фотонам, подчиняются уравнениям с локальной симметрией. Сверхпроводимость указывает путь вперед. Постулируя то, что пространство является сверхпроводником не для электрических зарядов, а для зарядов, которые имеют значение для W- и Z-бозонов, мы придаем этим частицам ненулевую массу, сохраняя при этом локальную симметрию основополагающих уравнений. Это центральная идея современной электрослабой теории, и она, кажется, очень хорошо описывает Природу. Более умозрительные идеи постулируют дополнительный слой сверхпроводимости Сетки, чтобы придать очень большие массы частицам, которые опосредуют кварк-лептонные переходы.

Сетка

Сущность, которую мы воспринимаем как пустое пространство. Наши глубочайшие физические теории показывают, что она очень высокоструктурирована; более того, она, по-видимому, является основной составляющей реальности. Сетке посвящена глава 8.

Сила

1. В физике Ньютона сила определяется как воздействие, которое при влиянии на тело вызывает его ускорение. Это определение было и остается полезным, поскольку во многих случаях силы оказываются простыми. Например, утверждение о том, что на изолированное тело не воздействуют никакие силы, эквивалентно первому закону движения Ньютона, в котором говорится, что изолированное тело движется с постоянной скоростью. 2. В современной фундаментальной физике, в частности в Центральной теории и ее унифицированных расширениях, старая концепция силы оказывается не очень полезной. До сих пор принято использовать такие выражения, как «сильная сила», «слабая сила» и т.д., однако между собой физики обычно используют более абстрактные выражения вроде «сильного взаимодействия». Как правило, в этой книге я использовал старую добрую англосаксонскую версию.

Сильное взаимо-действие

Одно из четырех фундаментальных взаимодействий. Сильное взаимодействие связывает кварки и глюоны в протоны, нейтроны и другие адроны, а также удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие атомные ядра. Большая часть того, что наблюдается на ускорителях высоких энергий, представляет собой результат сильного взаимодействия.

Симметрия

Симметрия имеет место, когда существуют различия, которые не имеют никакого значения. То есть объект или набор уравнений демонстрирует симметрию, когда вы можете сделать с ними то, что могло бы их изменить, но на самом деле этого не происходит. Таким образом, равносторонний треугольник имеет симметрию при повороте на 120° вокруг своего центра, в то время как неравносторонний треугольник ее не имеет.

 

 

Скорость

Темп изменения положения.

Слабая сила (или взаимо-действие)

Наряду с гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием представляет собой одно из фундаментальных взаимодействий Природы. Эта сила также известна как слабое взаимодействие. Наиболее важным эффектом слабого взаимодействия является возможность преобразований между различными типами кварков и различными типами лептонов (но не преобразований кварков в лептоны или наоборот. Эти гипотетические кварк-лептонные преобразования возникают только в единых теориях). Слабое взаимодействие движет многими радиоактивными распадами и некоторыми критически важными реакциями горения звезд.

Сокращение Фицдже-ральда — Лоренца

Эффект, при котором структуры в движущемся теле кажутся неподвижному наблюдателю сжатыми (укороченными) в направлении движения. Фицджеральд и Лоренц постулировали этот эффект, чтобы объяснить некоторые наблюдения в электродинамике движущихся тел. Эйнштейн показал, что сжатие Фицджеральда — Лоренца является логическим следствием буст-симметрии в форме, предложенной уравнениями Максвелла, то есть специальной теории относительности.

Спин

Спин элементарной частицы является мерой ее углового момента. Угловой момент, в свою очередь, представляет собой сохраняющуюся величину, которая имеет почти такое же отношение к вращениям в пространстве, как (обычный) импульс к перемещениям в пространстве. См.: Импульс.

Спином элементарной частицы является либо целое число, либо целое число + 1/2 × h / 2π, где h — постоянная Планка. В классической механике угловой момент тела является мерой углового движения этого тела.

 

Величина спина является стабильной характеристикой для частиц каждого типа. Принято говорить, что лептоны и кварки имеют спин 1/2, поскольку их спин равен 1/2 × h / 2π. Протоны и нейтроны также имеют спин 1/2. Фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны имеют спин 1. Пи-мезоны и гипотетическая частица Хиггса имеют спин 0. Поляризация света является физическим проявлением спина фотона.

Угловой момент изолированного тела сохраняется. Для изменения углового момента необходимо применить крутящий момент. Быстро вращающиеся гироскопы имеют большой угловой момент, и этот факт в значительной степени ответственен за их необычную реакцию на силы.

Спонтанное нарушение симметрии

Когда устойчивые решения системы уравнений имеют меньшую симметрию, чем сами уравнения, мы говорим, что симметрия спонтанно нарушена. Это может произойти, когда энергетически выгодным становится формирование конденсата или фонового поля, как говорилось в главе 8 и приложении Б. Тогда устойчивое решение будет предполагать, что пространство заполнено веществом, свойства которого изменяются при некоторых (прежних) преобразованиях симметрии. Таким образом, такое преобразование больше не является отличием без различия — теперь оно действительно имеет значение! Связанная с ним симметрия была спонтанно нарушена.

Знакомым и простым примером спонтанного нарушения симметрии является соглашение о вождении автомобиля по одной стороне дороги. Не имеет значения, по какой стороне дороги движутся автомобили, пока все водители делают одно и то же. Если одни люди будут ездить по левой стороне, а другие по правой, то эта ситуация будет нестабильной. Разумеется, в разных странах, например в США и Великобритании, выбор стороны дороги может быть различным.

Стандартная модель

Термин, призванный сделать так, чтобы одно из величайших интеллектуальных достижений человечества показалось скучным. Его иногда используют для обозначения электрослабой части Центральной теории, а иногда он подразумевает как электрослабую теорию, так и КХД.

Струя

Четко различимая группа частиц, движущихся почти в одном направлении. Струи частиц часто наблюдаются как продукты высокоэнергетических столкновений на ускорителях. Асимптотическая свобода позволяет интерпретировать струи в качестве видимых проявлений кварков, антикварков и глюонов, скрытых на нижележащем уровне.

Суперсим-метрия

Новый тип симметрии. Суперсимметрия определяет преобразования между частицами, имеющими одни и те же заряды, но разные спины. В частности, она позволяет нам воспринимать бозоны и фермионы, несмотря на их радикально отличающиеся физические свойства, в качестве различных представлений одной и той же сущности. Суперсимметрия может быть понята как буст-симметрия в суперпространстве, расширение пространства-времени для учета дополнительных квантовых измерений.

Наши существующие уравнения Центральной теории не поддерживают суперсимметрию, но их можно расширить так, чтобы они ее поддерживали. Новые уравнения предсказывают существование многих новых частиц, ни одна из которых еще не наблюдалась. Необходимо постулировать некоторую форму сверхпроводимости Сетки, чтобы сделать тяжелыми многие из этих частиц. Хорошая новость заключается в том, что новые частицы в их виртуальной форме поддерживают успешное количественное объединение сил, как описано в главе 20. Одна из новых частиц могла бы стать хорошим кандидатом на звание источника темной материи. Ускоритель БАК должен быть достаточно мощным, чтобы произвести некоторые из новых частиц, если они существуют.

СЦЛУ

Сокращенное название Стэнфордского центра линейного ускорителя, средства, которое сыграло ключевую роль в создании Центральной теории. Здесь Фридман, Кендалл, Тейлор и их соратники сфотографировали при высоком разрешении и короткой выдержке внутреннюю структуру протонов, что открыло путь к КХД. Ускоритель электронов длиной более трех километров, который они использовали, фактически представлял собой ультрастробоскопический наномикроскоп.

Темная материя

Астрономические наблюдения показывают, что большая часть массы Вселенной, около 25 % от общей массы, распределена гораздо более равномерно по сравнению с обычным веществом и совершенно прозрачна. Галактики, состоящие из обычного вещества, окружены обширными ореолами темной материи. Вес этого ореола примерно в пять раз превышает вес видимой галактики. Сгустки темной материи могут также существовать сами по себе. Интересными кандидатами на звание источника темной материи являются вимпы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующие массивные частицы), связанные с суперсимметрией, или аксионы. См. также: Суперсимметрия, Аксион.

Темная энергия

Астрономические наблюдения свидетельствуют, что большая часть массы Вселенной, около 70 % от ее общей массы, распределена равномерно и совершенно прозрачна. Другие независимые наблюдения указывают на ускоряющееся расширение Вселенной, которое мы можем приписать отрицательному давлению. Величины и относительный знак этих эффектов согласуются с хорошо темперированным уравнением. Таким образом, сделанные до сих пор наблюдения могут быть описаны с помощью космологического члена. Тем не менее логически возможно, что будущие наблюдения покажут: плотность или давление не являются постоянными или

 

не связаны хорошо темперированным уравнением. Термин «темная энергия» был введен для того, чтобы избежать предубеждения относительно этих вопросов.

Теория суперструн

Совокупность идей для расширения законов физики. Эта теория вдохновила блестящих ученых на блестящую работу, результатом которой стали важные приложения к чистой математике. В настоящее время теория суперструн не предоставляет уравнений, описывающих конкретные природные явления. В частности, Центральная теория, которая точно описывает столь многое в физическом мире, не является приближением к теории суперструн.

Идеи теории суперструн не обязательно являются несовместимыми с Центральной теорией или с идеями объединения, изложенными в этой книге. Однако обсуждаемые здесь идеи исторически не возникли из теории суперструн, а также не были выведены из нее. Их происхождение, как я подробно объяснил, является отчасти эмпирическим, а отчасти математическим/эстетическим.

Узел

Пространственно-временная точка, в которой взаимодействуют частицы (реальные или виртуальные). В диаграммах Фейнмана узлы — это места, где встречаются три или более линий. Теории взаимодействий частиц подчиняются правилам, описывающим возможные типы узлов, а также связанным с ними математическим факторам. В технической литературе узлы обычно называются вершинами. См. также: Диаграммы Фейнмана, Вершина.

Уравнение Дирака

Предложенное Полем Дираком в 1928 году уравнение является модификацией уравнения Шрёдингера для квантово-механической волновой функции электронов. Оно предназначено для согласования квантовой механики с буст-симметрией (то есть со специальной теорией относительности). Уравнение Дирака, грубо говоря, в четыре раза больше уравнения Шрёдингера, точнее, это набор из четырех взаимосвязанных уравнений,

 

управляющих четырьмя волновыми функциями. Четыре компонента уравнения Дирака автоматически включают в себя спин (направленный вверх или вниз) как для частиц, так и для античастиц, что соответствует четырем компонентам. Несколько измененное уравнение Дирака также используется для описания кварков и нейтрино. В современной физике мы интерпретируем уравнение Дирака как уравнение для поля, которое рождает и уничтожает электроны (или, что то же самое, уничтожает и рождает позитроны), а не как уравнение для волновой функции отдельных частиц.

Уравнение Шредингера

Приближенное уравнение для волновой функции электрона. Уравнение Шредингера не удовлетворяет буст-симметрии, то есть не согласуется со специальной теорией относительности. Однако это уравнение дает хорошее описание электронов, которые движутся не слишком быстро, и с ними легче работать, чем в случае с более точным уравнением Дирака. Уравнение Шредингера является основой для большинства практических работ в квантовой химии и физике твердого тела.

Уравнения Максвелла

Система уравнений, определяющих поведение электрического и магнитного полей, включая их отклик на электрические заряды и токи. Максвелл вывел весь набор уравнений в 1864 году, систематизировав все известные в то время взаимосвязи электричества, магнетизма, заряда и тока; кроме того, он постулировал новый эффект, который сделал систему совместимой с сохранением заряда. Исходная формулировка Максвелла была несколько запутанной, поэтому основополагающая глубокая простота и симметрия уравнений не была очевидной. Позднее физики, в особенности Хевисайд, Герц и Лоренц, доработали уравнения Максвелла и предоставили нам ту их версию, которую мы знаем сегодня. Эти уравнения остались незатронутыми квантовой революцией, несмотря на развитие интерпретации электрических и магнитных полей. См. также: Поле.

Уравнения Янга — Миллса

Обобщения уравнений Максвелла, которые поддерживают симметрию среди нескольких видов зарядов. Грубо говоря, уравнения Янга — Миллса — это уравнения Максвелла на стероидах. Современные теории сильного и электрослабого взаимодействия в значительной степени основаны на уравнениях Янга — Миллса для групп симметрии SU(3) и SU(2) × U(1) соответственно.

Ускорение

Темп изменения скорости. Таким образом, ускорение является скоростью изменения скорости изменения положения. Центральным открытием Ньютона в механике было то, что законы, регулирующие ускорение, часто являются простыми.

Фермион

Квантовая теория, а точнее, квантовая теория поля, придающая новый смысл понятию о двух абсолютно одинаковых или неразличимых объектах. Если у вас есть, скажем, два электрона в состояниях A и B в данный момент и два электрона в состояниях A' и B' в более поздний момент, то нельзя сказать, что имел место переход A A', B B' или A B', B A'. Необходимо учитывать обе возможности. В случае бозонов амплитуды складываются, в случае фермионов — вычитаются. Электроны являются фермионами. Следствием этого выступает принцип запрета Паули: два электрона не могут занимать одно и то же состояние, поскольку в этом случае их амплитуды полностью зануляются. Принцип запрета Паули индуцирует эффективное отталкивание между электронами (квантово-статистическое отталкивание), которое в значительной степени отвечает за то, что разные электроны в атомах занимают разные состояния. В свою очередь, это в значительной степени обусловливает тот факт, что химия является обширным и сложным предметом. Не только электроны, но все лептоны и кварки, а также их античастицы являются фермионами. Это же касается протонов и нейтронов, что объясняет, почему ядерная химия представляет собой такой же обширный и сложный предмет. Мы часто говорим,

 

что фермионы подчиняются статистике Ферми, или статистике Ферми — Дирака, названной так в честь пионеров физики, которые разъяснили последствия этого поведения для систем, содержащих много одинаковых частиц.

Фотон

Минимальное возбуждение электромагнитного поля. Фотон — это предельная единица света, иногда называемая квантом света. (Кстати, квантовый скачок — это очень маленький скачок.)

Хорошо темпериро-ванное уравнение

= –р / с2. См. также: Космологический член, Темная энергия.

Хромодина-мика

Теория, описывающая поведение цветовых глюонных полей, включая их реакцию на цветные заряды и токи (потоки заряда). Это общепринятая теория сильного взаимодействия. Математически хромодинамика является обобщением электродинамики. Поскольку квантовая теория имеет большое значение во всех приложениях хромодинамики, ее часто называют квантовой хромодинамикой или, сокращенно, КХД. См. также: Сильное взаимодействие.

Цвет

1. Фундаментальное физическое свойство, аналогичное электрическому заряду, но отличное от него. Существует три вида цветного заряда, обычно называемые красным, зеленым и синим. Кварк несет единицу одного из этих цветных зарядов. Глюоны несут как положительную единицу, так и отрицательную единицу цветного заряда, возможно, разных цветов. 2. В повседневной жизни цвет, конечно же, означает нечто совершенно иное. А именно, цвет — это частота электромагнитного излучения, попадающая в узкую полосу, которая соответствует пиковому излучению Солнца. Это шутка. На самом деле повседневное использование понятия «цвет» является донаучным. Оно относится к реакции наших глаз и мозга на такое электромагнитное излучение. См. также: Заряд, Хромодинамика.

Центральная теория

Наша рабочая теория сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий. Она основана на квантовой механике, трех видах локальной симметрии — в частности, на группах преобразований SU(3), SU(2), U(1) и общей теории относительности. Центральная теория предоставляет точные уравнения, управляющие всеми элементарными процессами, которые известны в настоящее время. Ее предсказания были проверены в ходе многих экспериментов и оказались точными. Центральная теория содержит эстетические изъяны, поэтому мы надеемся, что это не последнее слово Природы. (На самом деле она и не может им быть, поскольку не описывает темную материю.)

Частица

Локализованное возмущение в Сетке.

Частица Хиггса

Возбуждение в (пока гипотетическом)* поле, которое превращает пустое пространство в космический сверхпроводник для слабой силы.

Электродина-мика

Теория, описывающая поведение электрических и магнитных полей, включая их отклик на заряды и токи (потоки заряда). Ее также можно рассматривать как теорию фотонного поля. Свет во всех его формах, включая, например, радиоволны и рентгеновские лучи, теперь понимается как проявление электрических и магнитных полей. Основные уравнения электродинамики были открыты Максвеллом и усовершенствованы Лоренцом. См. также: Заряд, Уравнения Максвелла.

Электрон

Фундаментальная составляющая материи. Электроны несут весь отрицательный электрический заряд в обычном веществе. Они занимают основную часть пространства в атомах вне их малых ядер. По сравнению с ядрами электроны являются очень легкими и подвижными, поэтому они играют основную роль в химии и, конечно, в электронике.

Электро-слабая теория

Современная теория, описывающая слабые и электромагнитные взаимодействия. Ее также иногда называют стандартной моделью. В электрослабой теории существует две главные идеи. Первая заключается в том, что уравнения управляются локальной симметрией; это приводит к уравнениям Максвелла и Янга — Миллса. Другая идея заключается в том, что пространство представляет собой необычный вид сверхпроводника, который, грубо говоря, замыкает некоторые взаимодействия, скрывая их эффекты. (Еще одна важная идея заключается в том, что взаимодействия являются хиральными. Она более техническая, и я не буду пытаться описать ее здесь. Наиболее впечатляющим следствием этой идеи является то, что слабые взаимодействия нарушают четность, то есть симметрию между левым и правым). Иногда говорят, что электрослабая теория объединяет КЭД и слабые взаимодействия, но было бы правильнее сказать, что она их смешивает. См. также: Слабое взаимодействие.

Энергия

Центральное понятие в физике. Учитывая его важность, удивительно, каким невыразительным и малообещающим на первый взгляд кажется определение энергии. Действительно, только в середине XIX века появилась современная концепция энергии и ее сохранения. Первоначальной и наиболее очевидной формой энергии является кинетическая энергия, связанная с движением частиц (в дорелятивистской механике кинетическая энергия тела определялась как половина его массы, умноженная на квадрат его скорости; релятивистские формулы, включающие энергию покоя, обсуждаются в приложении А.)

Кинетическая энергия тела обычно изменяется, когда на нее действуют силы, но для определенных видов сил (так называемых консервативных сил) можно определить функцию потенциальной энергии, зависящую только от положения тела, так что сумма кинетической

 

и потенциальной энергий будет постоянной. В более общем плане для систем тел и определенного класса сил сохраняется сумма всех их кинетических энергий и потенциальной энергии, зависящей от их положения. Первый закон термодинамики утверждает, что энергия сохраняется, хотя она может быть скрыта в качестве тепла, которое есть проявление очень мелкомасштабного, труднонаблюдаемого движения внутри тел. По сути, первый закон термодинамики утверждает, что фундаментальные силы природы всегда будут считаться консервативными. Это смелая гипотеза, выдвинутая задолго до того, как природа фундаментальных сил была понята и оправдана успехом термодинамики. См. также: Кредо иезуитов.

В современных физических теориях энергия предстает в качестве первичной концепции на том же основании, что и время, с которым она тесно связана. Например, время T, необходимое для того, чтобы осциллирующие электрические возмущения, связанные с фотоном, прошли один полный цикл, связано с энергией фотона E соотношением ET = h, где h — это постоянная Планка. В рамках этих теорий сохранение энергии следует из симметрии уравнений относительно трансляции времени, или, выражаясь простым языком, из того факта, что законы с течением времени не меняются.

Вы можете спросить: «Если фундаментальные законы физики обеспечивают сохранение энергии, почему люди должны принимать меры по ее экономии? В конце концов, законы физики должны быть самоисполняющимися!» Дело в том, что некоторые формы энергии более полезны, чем другие; в частности, случайное движение (тепло) не всегда доступно для выполнения полезной работы. Было бы лучше попросить людей, чтобы они минимизировали свое производство энтропии. См. также: Энтропия.

Энтропия

Мера беспорядка. См. книгу по термодинамике или статью в «Википедии».

Эфир

Заполняющее пространство вещество. До того, как физики приняли концепцию полей как фундаментальных компонентов реальности, они пытались создать механические модели электрических и магнитных полей. Они предположили, что электрические и магнитные поля описывают взаиморасположения элементарных частицеподобных объектов, вроде того как плотность и поля потока жидкостей описывают расположение и перегруппировку атомов. Эти модели были сложными и никогда не работали достаточно хорошо, в связи с чем понятие «эфир» получило плохую репутацию. Однако в современной физике заполняющая пространство среда является первичной реальностью. Свойства этой среды очень отличаются от свойств классического эфира, поэтому я дал ей новое название — Сетка.

Ядро

Небольшая центральная часть атома, в которой сосредоточены весь положительный заряд и почти вся масса.