Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Каждая из этих проблем пленяет воображение, и первым двум из них уделили много внимания. Однако мне кажется, что третья особенно хорошо обоснована и значима. Дополнительность как свойство физической реальности и урок мудрости занимает в нашей медитации важное место.

Хотя я объяснил эти проблемы на примере отдельных частиц, все они проявляются в полной мере и тогда, когда мы задаемся вопросами о более сложных системах.

• Поскольку волновая функция дает нам вероятности, а не точные ответы, мы получим различные ответы, если будем много раз задавать тот же вопрос одной и той же волновой функции. Это тесно связано с той интуитивной моделью, которая мне очень нравится и к которой я часто прибегаю, суть ее в том, что квантовые объекты проявляют спонтанную активность. См. Квантовые флуктуации.

• Многие непрерывные согласно классической физике величины становятся дискретными в квантовой теории. См. Фотон и Спектры.

• И последнее, но никак не менее важное: хотя квантовая теория обычно приводит к вероятностным ответам, она в то же время делает много предсказаний, которые являются совершенно определенными. Например, квантовая механика лежит в основе теорий, предсказывающих спектр водорода, прочность и электрическую проводимость нанотрубок, массы и свойства адронов – причем с удивительной точностью. Все это точно определенные значения, не вероятности. Эти блестящие результаты являются яркими страницами в новейшей истории нашего Вопроса, как это обсуждается в главах «Квантовая красота I», «Квантовая красота II» и «Квантовая красота III».

Квантовая точка

Quantum dot

Физики разрабатывают усовершенствованные методики создания очень маленьких материальных структур со стороной всего в несколько атомов. Эти структуры называют квантовыми точками. Квантовые точки – это, по сути, молекулы, сделанные вручную.

Квантовая хромодинамика (КХД)

Quantum chromodynamics (QCD)

Квантовая хромодинамика, или КХД, является нашей Главной теорией сильного взаимодействия.

КХД привносит много новых идей в описание Природы, включая кварки, цветовой заряд, цветные глюоны, асимптотическую свободу, конфайнмент и струи.

КХД в своей сфере действия дает четкий положительный ответ на волнующий нас Вопрос: воплощает ли мир красивые идеи? А именно КХД воплощает красивый принцип локальной симметрии в необыкновенно богатом контексте пространства свойств сильного цветового заряда.

Квантовая электродинамика (КЭД)

Quantum electrodynamics (QED)

Квантовая электродинамика, или КЭД, является нашей Главной теорией электромагнетизма.

КЭД основана на уравнениях Максвелла в неизменной форме, но интерпретируемых в соответствии с правилами квантовой теории. Это значит, что возмущения в электромагнитном флюиде возникают в виде дискретных единиц, или квантов, – фотонов, а во флюиде наблюдается также самопроизвольная активность – квантовые флуктуации.

Квантовая электродинамика предоставляет твердый и законченный фундамент для «всей химии и большей части физики», как сказал Поль Дирак.

Квантовые измерения

Quantum dimension

Квантовые измерения – это измерения, координаты которых являются грассмановыми числами. Квантовые измерения – это душа суперсимметрии.

Квантовые флуктуации, виртуальные частицы, поляризация вакуума и нулевые колебания

Quantum fluctuation/virtual particle/vacuum polarization/zero-point motion

В теории квантовых флюидов, которая лежит в основе нашего наиболее глубокого понимания Природы, мы пришли к новому взгляду на частицы. Они являются минимальными возмущениями, или квантами, в квантовых флюидах. Таким образом, фотоны – это кванты электромагнитного флюида, электроны – кванты электронного флюида и т. д.

В этих флюидах, однако, заключено нечто большее, чем частицы, которым они служат основой, так же как и вода есть нечто большее, чем волны на ее поверхности. В частности, у флюидов есть самопроизвольная активность: квантовые флуктуации. Поскольку самопроизвольная активность и возмущения в квантовом флюиде, которые мы распознаем как частицы, тесно связаны – это два свойства одного и того же флюида, – принято говорить, что эта спонтанная активность состоит из виртуальных частиц. Таким образом, виртуальные частицы – игра нашего собственного ума, чтобы представить активность в виде объектов. Это воображаемые объекты.

На спонтанную активность квантового флюида может влиять присутствие частиц, и наоборот. Таким образом, свойства частиц меняются из-за обратной связи с квантовыми флюидами: присутствие частицы влияет на активность флюида, а эта активность в свою очередь влияет на частицу. Такую петлю обратной связи называют поляризацией вакуума. Мы можем представить себе простую и понятную картину этого эффекта, используя понятие виртуальных частиц. Виртуальные частицы образуют газ, заполняющий пространство, и свойства любой реальной частицы меняются за счет соударений с частицами этого газа.

Нулевые колебания – еще одно название спонтанной активности квантовых флюидов. Фраза «нулевые колебания» подчеркивает, что такая активность, или движение, присутствует даже тогда, когда устранены все источники энергии, т. е. даже при абсолютном нуле температуры.

Частицы, будучи возмущениями во флюидах, проявляющих спонтанную активность, наследуют эту спонтанность. У них тоже есть нулевые колебания, и они осложняют эксперименты, разработанные для обнаружения малых эффектов, таких как гравитационные волны или космическое фоновое аксионное излучение, через их влияние на обычное вещество: появляется источник фонового «шума», как будто наш измерительный прибор «покачивается» и «трясется»[103]. Этого квантового шума, возникающего из-за фундаментальных физических процессов, невозможно избежать путем охлаждения нашего измерительного прибора до низких температур или его изоляции. Лучшее, что можно сделать, – это понять, с чем мы имеем дело, и попытаться как-то обойти это затруднение.

Влияние квантовых флуктуаций на наблюдаемое поведение частиц, т. е. поляризация вакуума, является основным пунктом в нашем понимании глубинных законов Природы. Асимптотическая свобода – это следствие поляризации вакуума, и количественные аспекты объединения взаимодействий также основаны на ней. Большая часть глав «Квантовая красота III» и «Квантовая красота IV» посвящена этим идеям.