Ли Смолин - Неприятности с физикой - взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует

Вот другой пример, упрощенный и идеализированный, чтобы сконцентрировать внимание. Рассмотрим эксперимент, в котором пучок протонов ускоряется, а затем направляется на мишень, состоящую из определенного вида ядер. Вы, как экспериментатор, наблюдаете узор, который создают протоны, когда они рассеиваются на ядрах в мишени. Теперь без изменения энергии или мишени вы заменяете протоны на нейтроны. В определенных случаях рисунок рассеяния почти не изменяется. Эксперимент обнаруживает, что вовлеченные в процесс силы действуют одинаково на протоны и нейтроны. Иными словами, акт замены протонов на нейтроны является симметрией сил, действующих между ними и ядрами в мишени.

Знание симметрий хорошая вещь, так как они говорят вам кое-что о вовлеченных силах. В первом примере мы узнали, что сила гравитации, действующая на котов, не зависит от их места происхождения; во втором примере мы узнали, что определенные ядерные силы не могут обнаружить отличие между протонами и нейтронами. Иногда все, что мы получаем из симметрии, есть такая частичная информация о силах. Но есть специальные ситуации, в которых симметрии полностью определяют силы. Это оказывается именно так для класса сил, именуемых калибровочными силами . Я не хочу докучать вам точными подробностями, как это работает, так как это нам не понадобится. [22] [22] Те читатели, кому интересно узнать больше, могут прочитать о калибровочной симметрии в главе 4 моей книги 1997 года The Life of the Cosmos <���Жизнь космоса> (NewYork: Oxford University Press). Но факт, что все свойства сил могут быть определены из знания симметрий, является одним из самых важных открытий физики двадцатого столетия. В этой идее смысл калибровочного принципа. [23] [23] Хотя нам это не понадобится, некоторые читатели могут пожелать узнать больше о том, как работает калибровочный принцип. Вот ключевая идея: обычно ориентации, которые определяют симметрию, применяются к системе в целом. Чтобы показать, что объект симметричен относительно вращения, вы одновременно поворачиваете весь объект. Вы не можете вращать только часть мяча. Но есть специальные случаи, в которых симметрия работает, даже если вы применяете ее к части системы. Такие симметрии называются локальными симметриями. Это кажется противоречащим интуиции; как это может работать? Оказывается - и это та вещь, которую тяжело объяснить без математики, - что она работает, если разные части системы действуют на другие с помощью определенных сил. Это и есть калибровочные силы.* * Неплохое изложение сути калибровочного принципа можно, например, посмотреть здесь: http://nuclphys.sinp.msu.ru/zgauge/index.html - (прим. перев.)

Две вещи о калибровочном принципе нам необходимо знать. Первая, что силы, к которым он приводит, переносятся частицами, названными калибровочными бозонами . Вторая вещь, которую нам надо знать, это что электромагнитные, сильные и слабые силы все оказываются силами такого типа. Калибровочный бозон, который соответствует электромагнитной силе, называется фотон. Калибровочный бозон, который соответствует сильному взаимодействию, удерживающему кварки вместе, называется глюон . Калибровочные бозоны для слабых сил имеют менее интересное название – они называются просто слабые бозоны .

Калибровочный принцип и есть та «красивая математическая идея», отмеченная в главе 3, которая была открыта Германом Вейлем в его неудавшейся попытке по объединению гравитации и электромагнетизма в 1918. Вейль был одним из самых глубоких математиков, когда-либо размышлявших над уравнениями физики, и именно он понял, что структура теории Максвелла полностью объясняется калибровочными силами. В 1950х некоторые люди поинтересовались, а не могут ли и другие теории поля быть сконструированы с использованием калибровочного принципа. Оказалось, что это может быть сделано на основе симметрий, включающих различные виды элементарных частиц. Эти теории теперь называются теориями Янга-Миллса в честь двух их изобретателей. [24] [24] Еще раз, история более сложна, чем мое обобщение. Теории Янга-Миллса на самом деле были открыты в контексте единых теорий с дополнительными измерениями в 1920х, но оказались забытыми, что привело к их повторному открытию Чен Нинь Янгом, Робертом Миллсом и другими в 1950х. Сначала никто не знал, что делать с этими новыми теориями. Новые силы, которые они описывали, должны были иметь бесконечную область распространения подобно электромагнетизму. Физики знали, что каждая из двух ядерных сил имеет короткую область распространения, так что, казалось, что они не могут быть описаны калибровочной теорией.