Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

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.