Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

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 = hν, связывающем энергию фотона с частотой света, который он представляет, или в соотношении p = h / λ, связывающем импульс фотона с длиной волны λ 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.

Сверхпроводник

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.