Красота физики. Постигая устройство природы

3. В космологии говорят о доле массы во Вселенной за счет различных составляющих: обычная материя (5 %), темная материя (27 %), темная энергия (68 %). Это – небрежное использование термина «масса». (У темной энергии, в частности, нет массы ни в одном из двух более привычных пониманий этого термина, определенных выше.) Но оно очень широко распространено как в научной, так и в популярной литературе, поэтому и нам от него никуда не деться. Это означает следующее: используя общую теорию относительности, мы можем связать скорость, с которой изменяется темп расширения Вселенной со временем – грубо говоря, его ускорение, – со средней плотностью энергии в ней. Мы можем разделить эту среднюю плотность энергии на квадрат скорости света, чтобы получить нечто измеренное в единицах плотности массы. Проценты, упомянутые выше, являются относительными вкладами в это «нечто», привнесенными различными видами материи.

Поскольку масса не сохраняется, по большом счету у нас есть надежда объяснить ее с точки зрения чего-то более простого. И действительно, есть чрезвычайно красивое объяснение источника большей части массы обычной материи, которое возникает из квантовой хромодинамики (КХД). Все важные элементы строения протонов – верхний и нижний кварки и цветные глюоны – имеют массу намного меньшую, чем масса протона, следовательно, у массы протона должен быть какой-то другой источник.

Ключевым шагом к пониманию происхождения массы протона будет как следует понять, что такое протон. Так что такое протон? С точки зрения современных представлений протон – это устойчивое, ограниченное в пространстве состояние возмущения в кварковом и глюонном флюидах. Такое состояние может перемещаться – галилеева симметрия уверяет нас в этом, – и, если мы смотрим на него издалека (по сравнению с его размером), оно будет похоже на частицу. Существует энергия поля глюонов, связанная с этим возмущением, и энергия движения кварков в состоянии конфайнмента. Если мы обозначим энергию стационарного возмущения за ε, то ε/c2 будет массой частицы, которой, как мы считаем, оно является, т. е. протона. И это – поразительным образом – источник вашей собственной массы. Это «масса без массы», возникающая из заключенной внутри энергии.

Массовая энергия

См. Энергия.

Мезон.

См. Адрон.

Метрика, метрический флюид

Metric/metric fluid

Мы говорим, что у пространства есть метрика, когда можно сказать, каково расстояние между двумя очень близкими точками. Сама метрика – это секретный соус, который превращает набор точек в структуру, имеющую размер и форму.

Давайте предположим для начала, что мы знаем, как измерить расстояние между двумя соседними точками в обычном пространстве, например, используя небольшие линейки. Тогда мы сможем измерить такими же линейками и расстояния между соседними точками на любой достаточно гладкой поверхности. Ограничение короткими линейками и близлежащими точками важно здесь потому, что, если мы имеем искривленную поверхность и длинные плоские линейки, тогда линейки могут плохо прилегать к поверхности на больших расстояниях, и мы не будем знать, как их правильно приложить.

Теперь давайте рассмотрим представление нашей поверхности с использованием обычной, плоской бумажной карты. Мы можем, конечно, сделать это разными способами, просто устанавливая соответствие между этими двумя множествами точек: точек на поверхности и точек на карте. Мы помещаем Прагу здесь, Нью-Дели там и т. д., заботясь о том, чтобы поместить по соседству на карте точки, которые находятся близко в действительности. Имеется немалая свобода в том, как это сделать, и в атласах можно найти много очень отличающихся представлений одной и той же области.

Без дальнейших указаний, однако, карта не говорит нам, насколько далеко представленные на ней точки в действительности разнесены на реальной поверхности. Метрика, дополнение к карте, и предоставляет эту информацию. Если быть немного точнее, метрика – это функция от положений на карте: она присваивает «вещь», или значение, каждой точке на карте. В каждой точке значение метрики – это инструмент, который дает вам для любого направления, в котором вы можете двигаться из этой точки, масштаб, который вы должны использовать на маленьких линейках, чтобы расстояние, которое вы измеряете между соседними точками на карте, было таким же, как расстояние между точками, которые они изображают на реальной поверхности.

Рассмотрев, что нужно сделать, чтобы превратить плоскую поверхность (нашу карту) в поверхность, обладающую размером и формой, мы можем творчески подойти к этой идее и развить ее или исполнить вариации на эту тему. Чтобы осознать концепцию метрики, наиболее важную для физики, мы должны сделать две вещи.