Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Концепция воспринимаемого цвета включает в себя смесь физики и психологии. Наши самые богатые цветовые впечатления, например, те, что мы получаем от изобразительного искусства, необычайно сложны и задействуют высокоуровневые процессы мозга, которые мы плохо понимаем. Тем не менее некоторые основные факты о ранних стадиях зрительного восприятия твердо установлены, и они уже подчеркивают огромный разрыв между анализом света, который возможен согласно основным физическим принципам, и тем анализом, который обеспечивает наше восприятие цвета. Самое главное отличие в следующем: в то время как чистые спектральные цвета образуют континуум, а полный анализ входящего света дает интенсивности каждого из них, человеческий глаз извлекает только три средних значения от этих интенсивностей.

Для куда более подробного изложения этих тем, которые являются центральными в нашей медитации, смотрите основной текст!

Наши Главные теории слабого и сильного взаимодействий строятся на идеях, впервые развитых в электродинамике. В частности, в них встречаются аналоги электрического заряда, называемые цветовыми зарядами. Заряды во всех случаях являются сохраняющимися величинами, которые управляют поведением фотоноподобных частиц – фотонов в случае электрического заряда, цветных глюонов в случае сильных цветовых зарядов, виконов в случае слабых цветовых зарядов.

Существует три сильных цветовых заряда – в нашей книге они называются красным, зеленым и синим. Восемь цветных глюонов реагируют на эти заряды и вызывают их преобразования.

Существует также два слабых цветовых заряда – в тексте они называются желтым и фиолетовым.

Не стоит и говорить (но однако скажу), что понятие «цвет», используемое в контексте цветового заряда, полностью отличается от понятия «цвет» в контексте света.

Векторные поля независимо от их истинной природы могут с математической точки зрения рассматриваться как поток обычной текучей среды, такой как воздух или вода. (Воображаемый поток в каждой точке имеет скорость, пропорциональную величине векторного поля в этой точке.) В такой модели циркуляция векторного поля в некоторой точке – это мера углового движения жидкости (газа). Так, например, циркуляция атмосферы особенно велика вблизи контуров, окружающих центр торнадо.

Давайте определим это понятие более точно. Представим, что наш контур есть осевая линия воображаемой узкой цилиндрической трубки, и посчитаем количество воздуха, которое перемещается по этой трубке за единицу времени, отнеся его к площади сечения трубки. (Потоком воздуха снаружи внутрь трубки или из нее наружу мы просто пренебрегаем.) Тогда мы получим циркуляцию потока по замкнутому контуру[120].

Используя аналогию потока – т. е. рассматривая электрическое поле как поле скоростей, мы можем похожим образом определить циркуляцию электрического поля или магнитного поля по замкнутому контуру. Эти величины являются главными участниками уравнений Максвелла. См. закон Ампера (закон Ампера – Максвелла) и закон Фарадея.

Здесь я хотел бы добавить личную коду, сочетающую в себе поклонение героям и эстетику. Новаторские статьи Фарадея и Максвелла, где впервые появилось представление об электромагнетизме как о поле, по большей части написаны с точки зрения словесных определений и ментальных образов, подобно тому, как я сделал это здесь для циркуляции и ниже – для потока, а не в виде общепринятых математических уравнений. Четко держать в голове такие сложные картины и проводить между ними связи было удивительным подвигом зрительного воображения, который показался мне достаточно вдохновляющим и прекрасным, чтобы его повторить. Представление уравнений в виде образов переносит их в ту область опыта, для наслаждения которой люди хорошо подготовлены.

Если величина не может изменяться плавно, мы называем ее цифровой величиной. Чтобы узнать больше об этом понятии, см. статью про аналоговые величины.

Это еще одно название для всех фермионов. В Главной теории это кварки и лептоны.

Если суперсимметрия верна, то для каждой частицы вещества существует соответствующий «партнер» – частица взаимодействия. Частица вещества, перемещаясь в квантовом измерении, становится своей сопряженной частицей взаимодействия.

«Частица взаимодействия» – это разговорная фраза, которую я использую, когда говорю, собирательно, о фундаментальных частицах Главной теории, которые являются бозонами: о фотоне, о виконе, о цветном глюоне, о гравитоне и о частице Хиггса. Это сделано для облегчения жизни читателя, а также для того, чтобы передать некоторую общую идею о роли этих частиц в Природе[121].

Эти термины взаимозаменяемы и используются для обозначения наименьшей единицы, или кванта, флюида Хиггса.

См. Поле Хиггса, флюид Хиггса, а также подробное обсуждение в главе «Квантовая красота III», часть 3.

Если у нас есть процесс, который повторяется во времени, его период – это время между повторениями, а его частота – это единица, деленная на период, или, что то же самое, величина, обратная периоду. Таким образом, высокочастотный процесс – это процесс, который часто повторяется. Частоты измеряются в обратных секундах – единицах, также называемых герцами в честь Генриха Герца, первооткрывателя электромагнитного излучения.

Примеры: если процесс повторяется каждые 2 секунды, его частота равна 0,5 герца. Если процесс повторяется дважды в секунду – то его частота равна 2 герцам. Молодые здоровые люди способны слышать колебания воздуха, или звуковые волны, если частоты этих колебаний лежат в интервале примерно от 20 до 20000 герц. Человеческий глаз чувствителен к электромагнитным волнам с частотами от 4 × 1014 до 8 × 1014 герц – это довольно высокая скорость колебаний!

В нескольких разделах математики и при формулировке некоторых физических законов находят удобным использовать правую руку (или, гораздо реже, левую).

В большинстве случаев эти «правила правой руки» являются просто результатом соглашений. Соответствующее правило левой руки также можно было бы использовать, и это просто привело бы к переименованию вещей. Возьмите, например, способ, с помощью которого мы присваиваем определенное направление в пространстве вращению вокруг оси. Если объект вращается вокруг оси, мы можем присвоить оси направление, используя правило правой руки, как описано далее. Вообразите наш вращающийся объект как фигуристку на льду. Ось, вокруг которой она вращается, является прямой линией от ее головы до больших пальцев ног. Эта линия имеет некоторую ориентацию в пространстве и, таким образом, почти определяет направление, но, чтобы завершить его, нам нужен еще один шаг: мы должны выбрать между направлением «вверх» и «вниз». Обычное правило правой руки, призванное разрешить эту неоднозначность, говорит, что, если при вращении ее правая рука движется вперед, по направлению к животу, мы выбираем направление «вверх» – т. е. направление от ног к голове, в то время как, если вращение сопровождается движением ее правой руки назад, к спине, мы выбираем направление «вниз». Ясно, что, если бы мы поменяли правое с левым и, одновременно, в правиле, поменяли верх и низ, результирующее «правило левой руки» было бы полностью равнозначным.

Вот еще два примера использования этого правила:

• Движение стрелок часов выражается в их вращении относительно оси, перпендикулярной циферблату. Если вы смотрите на циферблат часов сверху вниз, то применение правила правой руки ко вращению стрелок «по часовой стрелке» дает направление вниз.