Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

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.

Калибровочная 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