Красота физики. Постигая устройство природы

Идея о бесконечно малых похожа по духу – хотя и противоположна по направлению – на идею, приводящую нас к бесконечно удаленным точкам в проективной геометрии. В обоих случаях мы заменяем процедуру взятия предела конечными объектами.

Бесконечно малые предоставляют нам новый способ воплощения Идеального. Они пока еще не сыграли значительной роли в описании физического мира, но являются красивой идеей и поэтому заслуживают ее сыграть.

Бесконечно удаленная точка, точка схода

Point at infinity / vanishing point

Если мы встанем вертикально на плоской поверхности и посмотрим на две параллельные линии на этой плоскости, простирающиеся вдаль от нас, то увидим, что кажется, будто они сходятся, приближаясь к горизонту. Если мы мысленно нарисуем то, что видим, или если спроецируем геометрически эти линии на холст, естественно будет добавить как элемент изображения ограничивающую точку, где они действительно сходятся. Это будет бесконечно удаленная точка, или точка схода. Мы изображаем, углубляем и размышляем о приложениях этой конструкции в основном тексте.

Бозоны и фермионы

Boson/fermion

Элементарные частицы делятся на два обширных класса: бозоны и фермионы.

В Главной теории к бозонам относятся фотоны, виконы (бозоны слабого взаимодействия), цветные глюоны, гравитоны и бозоны Хиггса. В тексте я часто называю их частицами взаимодействия (силы). Бозоны могут быть созданы или уничтожены поодиночке.

Бозоны подчиняются принципу Бозе[92]. Грубо говоря, это значит, что два бозона одного вида особенно счастливы делать одно и то же. Фотоны являются бозонами, и именно принцип Бозе для фотонов делает возможным существование лазеров. Когда им дается такой шанс, вся совокупность фотонов пытается делать одно и то же, создавая узкий пучок спектрально чистого света.

В Главной теории кварки и лептоны являются фермионами. В тексте я часто называю их частицами материи.

Фермионы образуются и исчезают парами. В результате, если у вас есть один фермион, вы не можете просто так избавиться от него. Он может превратиться в другой вид фермиона, или в три, или в пять, а также в любое число не-фермионов (т. е. бозонов; см. выше) – но он не может раствориться, превратиться в ничто, не оставив следа.

Фермионы подчиняются принципу запрета Паули. Грубо говоря, это значит, что два фермиона одного вида не любят заниматься одним и тем же. Электроны являются фермионами, и принцип запрета Паули для электронов играет ключевую роль в структуре вещества. Он будет нашим проводником в главе «Квантовая красота II», в которой мы исследуем богатый мир углерода.

Большой адронный коллайдер

Large Hadron Collider

Большой адронный коллайдер, или БАК (LHC) – инструмент лаборатории CERN около Женевы. Главной целью проекта является исследование фундаментальных процессов при высоких энергиях, а следовательно, при меньших расстояниях и временах, чем это было когда-либо доступно ранее.

Это достигается следующим образом. Протоны ускоряют до очень высокой энергии движения и формируют из них два узких пучка. Пучки находятся внутри гигантского подземного кольца окружностью 27 км, где они циркулируют в противоположных направлениях, удерживаемые на траектории мощными магнитами. (Кольцо должно быть большим, а магниты мощными, потому что трудно отклонить такие высокоэнергетичные протоны от прямолинейного движения!) В нескольких точках наблюдения пучкам дают пересечься. Близкие прохождения высокоэнергетичных протонов, летящих в противоположных направлениях, приводят к «столкновениям», при которых огромное количество энергии концентрируется в очень небольшой области пространства, воссоздавая экстремальные условия, последний раз наблюдавшиеся во время самых ранних моментов Большого взрыва. Огромные, сложные «детекторы» – установки величиной десятки метров во всех трех измерениях, набитые ультрасовременной электронной техникой, – извлекают физическую информацию из последствий этих столкновений, которую затем анализируют большие команды высококвалифицированных ученых с помощью глобальной сети мощных компьютеров.

БАК – это более чем значимое дополнение нашей цивилизации к египетским пирамидам, римским акведукам, Великой Китайской стене и соборам Европы: все они являются потрясающими памятниками коллективным усилиям и технологическим достижениям людей.

В июле 2012 г. ученые, работающие на БАК, объявили об открытии бозона Хиггса. Чтобы узнать об этом больше, см. главу «Квантовая красота III», часть 3. В будущих экспериментах, при более высоких энергиях, будут проверены заманчивые идеи об объединении взаимодействий и о суперсимметрии, которые описаны в главе «Квантовая красота IV».