Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Читать онлайн «Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»». Страница 39

Автор Джим Бэгготт

Инфляция. См. Космическая инфляция.

Истинный кварк. Также топ-кварк или t-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом +2/3, спином 1/2 (фермион) и массой 172 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1995 году.

Калибровочная симметрия. Термин, изобретенный немецким математиком Германом Вейлем. Применительно к теории квантовых полей выбирается «калибровка», уравнения которой инвариантны – то есть ее произвольные изменения не влияют на ожидаемые результаты. Калибровочная симметрия связана с законами сохранения (см. Законы сохранения и Теорема Нетер), и таким образом правильный выбор калибровочной симметрии помогает сформулировать теорию поля, в которой соблюдается сохранение изучаемого свойства.

Калибровочная теория. Калибровочная теория основана на калибровочной симметрии (см. Калибровочная симметрия). Общая теория относительности – калибровочная теория, инвариантная произвольным изменениям в координатной системе пространства-времени (калибровке). Квантовая электродинамика (КЭД) – квантовая теория поля, инвариантная фазе волновой функции электрона. В 1950-х работа над квантовыми теориями поля для сильного и слабого ядерного взаимодействий свелась к установлению сохраняемого количества и затем соответствующей калибровочной симметрии.

Каон. Группа мезонов со нулевым спином, состоящих из верхних, нижних и странных кварков и их антикварков. Это K+ (верхний кварк + странный антикварк), K— (странный кварк + верхний антикварк) и K0 (смесь нижний кварк + странный антикварк и странный кварк + нижний антикварк) с массами 494 МэВ (K±) и 498 МэВ (K0).

Квант. Фундаментальная, неделимая единица физических свойств, например энергии и момента импульса. В квантовой теории такие свойства считаются не непрерывно изменяющимися, но организованными в дискретные пакеты, которые называются квантами. Также квантами называются частицы. Так, фотон – квант электромагнитного поля. Концепцию можно расширить за пределы частиц – переносчиков взаимодействий и включить в нее материальные частицы. То есть электрон – квант электронного поля и т. д. Иногда это называют второй квантизацией.

Квантовая хромодинамика (КХД). Квантовая теория поля для сильного цветового взаимодействия между кварками, переносимого системой восьми цветных глюонов. Основана на группе симметрии SU(3).

Квантовая электродинамика (КЭД). Квантовая теория поля для электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами, переносимого фотонами. Основана на группе симметрии U(1).

Квантовое поле. В классической теории силовое поле имеет значение в каждой точке пространства-времени и может быть скалярным (со значением, но без направления) или векторным (со значением и направлением). «Силовые линии», которые проявляются, если насыпать на лист бумаги железные опилки и подержать его над магнитом, дают наглядное представление о таком поле. В квантовой теории поле взаимодействия переносит «рябь» на полях, образующую волны и – поскольку волны также можно интерпретировать как частицы – квантовые частицы. Концепцию можно расширить за пределы переносчиков взаимодействия (бозонов) и включить в нее материальные частицы (фермионы). Так, электрон – квант электронного поля и т. д.

Квантовое число. Описание физического состояния квантовой системы требует конкретизации его свойств в отношении энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т. п. Вследствие квантизации таких свойств в описании появляются постоянные величины соответствующих квантов. Например, момент импульса, связанный со спином электрона, имеет постоянную величину 1/2 h/2π, где h – постоянная Планка. Повторяющиеся целые и полуцелые числа, на которые умножаются величины квантов, называются квантовыми числами. В магнитном поле спин электрона может быть ориентирован по силовым линиям поля или в противоположном направлении, то есть электрон может иметь ориентацию спин вверх и спин вниз с квантовыми числами +1/2 и —1/2. Среди других квантовых чисел – главное квантовое число n, обозначающее энергетический уровень и характеризующее энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень.

Кварк. Элементарная составляющая адронов. Все адроны состоят из триплетов кварков со спинами 1/2 (барионы) или комбинаций кварков и антикварков (мезоны). Кварки образуют три поколения с разными ароматами. Верхний и нижний кварки с электрическими зарядами +2/3 и —1/3 и массами 1,7–3,3 МэВ и 4,1–5,8 МэВ соответственно относятся к первому поколению. Из верхних и нижних кварков состоят протоны и нейтроны. Ко второму поколению относятся очарованный и странный кварки с зарядами +2/3 и —1/3 и массами 1,27 ГэВ и 101 МэВ соответственно. Третье поколение включает прелестный и истинный кварки с электрическими зарядами +2/3 и —1/3 и массами 4,19 и 172 ГэВ соответственно. Кварки также переносят цветной заряд, и кварки каждого аромата обладают красным, зеленым или синим зарядом.

Квинтиллион. Миллион триллионов, 1018 или 1 000 000 000 000 000 000.

Комплексное число. Комплексное число образовано умножением реального числа на квадратный корень из –1, который записывается в виде i. Квадрат комплексного числа, таким образом, является отрицательным числом, например, квадрат 5i равен –25. Комплексные числа широко применяются в математике для решения проблем, которые невозможно решить с помощью обычных чисел.

Корпускулярно-волновой дуализм. Фундаментальное свойство всех квантовых частиц, которое проявляется одновременно в делокализованном волновом поведении (например, дифракции и интерференции) и локализованном поведении частицы в зависимости от аппарата, которым производится измерение. Впервые предложен Луи де Бройлем в 1923 году как свойство частиц материи, таких как электроны.

Космическая инфляция. Быстрое экспоненциальное расширение Вселенной, которое, по современным данным, произошло между 10–3 и 10–32 секундами после Большого взрыва. Открытая в контексте теорий великого объединения американским физиком Аланом Гутом в 1980 году, инфляция позволяет объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Космические лучи. Потоки высокоэнергетических заряженных частиц из космоса, которые непрерывно изливаются в верхние слои атмосферы Земли. Термин «лучи» появился в первые годы исследования радиоактивности, когда направленные потоки заряженных частиц назывались лучами. У космических лучей разные источники, в том числе высокоэнергетические процессы, происходящие на поверхности Солнца и других звезд, а также неизвестные процессы в других областях Вселенной. Энергия космических частиц обычно находится в диапазоне между 10 МэВ и 10 ГэВ.

Космологическая постоянная. В 1922 году российский теоретик Александр Фридман нашел решения уравнений гравитационных полей Эйнштейна, описывающих Вселенную, в которой происходит расширение пространствавремени. Сначала Эйнштейн не принимал мысли, что пространство-время может расширяться или сжиматься, и ввел космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы они допускали однородное статическое решение. Эйнштейна беспокоило, что под действием гравитации Вселенная должна коллапсировать, и он прибег к космологической постоянной – своего рода отрицательной или отталкивающей форме гравитации, – чтобы нейтрализовать этот эффект. Когда появились данные о том, что Вселенная в самом деле расширяется, Эйнштейн пожалел о сделанном и называл это своей самой большой ошибкой в жизни. Однако дальнейшие открытия 1998 года позволили предположить, что расширение Вселенной фактически ускоряется. В сочетании с измеренным спутниками фоновым излучением эти результаты привели к предположению, что Вселенную пронизывает темная энергия, на которую приходится около 73 процентов массы-энергии Вселенной. Одна из форм темной энергии требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна.

Куперовская пара. При охлаждении ниже критической температуры электроны в сверхпроводнике испытывают слабое взаимное притяжение. Электроны с противоположными спинами и импульсами образуют куперовские пары, которые совместно движутся по металлической решетке, и вибрация решетки способствует их движению. Такие пары электронов имеют спин 0 или 1 и потому являются бозонами. Вследствие этого количество пар, которые могут занимать одно квантовое состояние, не ограничено, и при низких температурах они могут «сгущаться», приобретая макроскопические размеры. Куперовские пары в таком состоянии не испытывают сопротивления, проходя по решетке, так возникает явление сверхпроводимости.