Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Core theory

В этой книге Главной теорией называются господствующие теории сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий, воплощающие принципы квантовой теории и локальной симметрии (включая общую теорию относительности – локальную версию галилеевой симметрии).

Главная теория, или часть ее, не включающая гравитацию, часто называется Стандартной моделью. По причинам, которые я объяснил в тексте книги, ей нужно лучшее название.

(Почему кому-то может прийти в голову исключать гравитацию при определении Главной теории? Часто говорят, что существует фундаментальный конфликт между квантовой механикой и общей теорией относительности, а иногда также заявляют, что этот конфликт влечет за собой парализующий физику кризис. Оба этих утверждения являются преувеличением, а второе явным образом вводит в заблуждение. Например, астрофизики регулярно сочетают общую теорию относительности и квантовую механику в своей работе, не встречая серьезных затруднений.

Общую теорию относительности можно ввести в уравнения Главной теории особым, искусственным способом, используя тот же самый глубокий принцип – локальную симметрию, – который мы привыкли использовать для остальных взаимодействий. Правила квантовой теории при этом продолжают действовать.

Определенная таким образом Главная теория не способна дать убедительные ответы на мысленные эксперименты касательно некоторых аспектов физики черных дыр, и ее уравнения становятся сингулярными и непригодными, когда мы осуществляем экстраполяцию к началу космологического Большого взрыва, а значит, это не есть Теория всего. Но мы и так это знаем благодаря проблемам семейств, темной энергии, темной материи и некоторым другим. Тем не менее это последовательная, фальсифицируемая, сильная и экономная теория. Вполне возможно и разумно включить общую теорию относительности в Главную теорию, и я это сделал.)

Глобальная симметрия

Rigid symmetry

Мы говорим, что симметрия физического закона является глобальной, если она требует выполнения одного и того же преобразования в каждой точке (и в любой момент времени) в пространстве-времени. Локальная симметрия, в отличие от нее, допускает преобразования, которые изменяются от точки к точке в четырехмерном пространстве-времени.

Глюон, цветной глюон

Gluon/color gluon

Глюоны – это наименьшие единицы, или кванты, глюонного флюида.

Глюонный флюид, глюонное поле

Gluon fluid/gluon field

Глюонный флюид – это активная, заполняющая пространство субстанция, ответственная за сильное взаимодействие. Глюонное поле в некоторой точке – это мера воздействия глюонного флюида в этой точке, усредненная по достаточно малому объему пространства и отрезку времени.

Гравитация

Gravity

Пока она действует между элементарными частицами, гравитация является гораздо более слабым взаимодействием по сравнению с тремя остальными взаимодействиями Главной теории. Однако остальные взаимодействия реагируют на заряды, которые могут иметь разные знаки, и поэтому имеют склонность взаимно уничтожаться, когда рядом оказывается множество частиц. Гравитация же реагирует главным образом на энергию и скорее приобретает бо́льшую силу, когда множество частиц оказывается рядом. В небесной механике гравитация является преобладающим взаимодействием.

Практически при любых обстоятельствах гравитация приводит к притяжению между телами. Темная энергия в этом смысле исключительна. В примечаниях в конце книги я предлагаю две ссылки на источники, в которых вы сможете найти больше информации по этой теме. Здесь я просто упомяну три следствия для настоящего, будущего и прошлого Вселенной в целом.

• В настоящее время гравитация обычного вещества вместе с темной материей преобладает над гравитационным влиянием темной энергии в нашем ближайшем окружении вплоть до масштабов нашей Галактики и немного за ее пределами. Однако на космологических масштабах обычное вещество и темная материя распределены неоднородно, в то время как темная энергия, хотя и имеет гораздо меньшую плотность в нашем ближайшем окружении, вездесуща, и ее влияние накапливается. В результате гравитация темной энергии, которая по существу является гравитацией отталкивания, играет преобладающую роль в эволюции Вселенной в целом. Расширение Вселенной, которое должно было бы замедляться гравитационным притяжением, на деле ускоряется.

• Прямая экстраполяция современной космологии на далекое будущее предполагает, что через сотни миллиардов лет наша Галактика, слившись с галактикой Андромеды и, возможно, с несколькими другими близлежащими карликовыми галактиками, образует изолированный остров, а всё остальное обычное вещество с темной материей во Вселенной удалится настолько далеко и настолько быстро, что будут недоступны для наблюдения из-за ограниченной скорости света.

Конечно, это очень грубая экстраполяция, учитывая то, насколько сильно менялись взгляды ученых на космологию на гораздо меньших временных масштабах. Ведь прошло меньше ста лет с тех пор, как было открыто расширение Вселенной!

• На протяжении большей части из 13 миллиардов лет (или около того) после Большого взрыва гравитация обычной и темной материи доминировала над влиянием темной энергии даже на космологических масштабах. Однако эти виды материи «разбавлялись» расширением Вселенной, а плотность темной энергии оставалась постоянной, и (примерно) в последние два миллиарда лет последняя начала доминировать. Однако существуют веские причины подозревать, что в очень ранней истории Вселенной все было по-другому, и темная энергия играла главную роль, так что ее гравитация отталкивания привела к периоду быстрой космологической инфляции.

Ньютоновская теория гравитации была эпохальным событием в истории человеческой мысли. Предоставив точное объяснение многим аспектам движения небесных тел и основываясь на нескольких четко сформулированных математических принципах, она установила новые стандарты научной точности и амбициозности. Однако в начале XX в. теория Ньютона была вытеснена общей теорией относительности Эйнштейна, которая остается основополагающей по сей день.

Гравитон

Graviton

Гравитоны – это наименьшие единицы, или кванты, возмущений в гравитационном флюиде, также называемом метрическим флюидом. Таким образом, гравитоны для гравитации – то же самое, что фотоны для электромагнетизма. Предсказывается, что отдельные гравитоны должны крайне слабо взаимодействовать с обычным веществом, и шансы наблюдать их непосредственно как индивидуальные объекты очень малы. Гравитационные волны, которые потенциально возможно зарегистрировать, состоят из огромного количества гравитонов.