Будто сорван покров, и, немея, ты видишь воочью

[egovoru]

Бытует мнение, что, если ты понимаешь что-то как следует, то ты сумеешь объяснить это «на пальцах» хоть первокласснику. Я сомневаюсь. Во-первых, я знаю людей, прекрасно разбирающихся в предмете, но не способных ничего никому объяснить – просто потому, что им невдомек, что у других людей мозги устроены по-другому. А во-вторых, постижение некоторых концепций требует так много предварительных знаний, что их невозможно ни изложить, ни тем более усвоить за короткое время. Но в жизни всегда есть место для подвига, и в своей последней по времени книжке Шон Кэрролл пробует объяснить неподготовленному читателю квантовую теорию поля. Мало того, игнорируя предостережение Стивена Хокинга, что каждое уравнение в тексте книги вдвое снижает объем ее продаж, он пытается растолковать нужную для этого математику.

С понятием классического поля мы все знакомы из школьной программы. Математическое описание состояния такого поля достигается путем присвоения определенного значения (которое может быть числом, вектором, тензором...) каждой точке пространства-времени. Но состояния квантовых полей, объясняет Кэрролл, лучше описывать суммой синусоид с разным периодом (то есть, производить фурье-преобразование). «И тогда происходит чудо. Каждая мода квантового поля ведет себя как простой гармонический осциллятор, включая ранее открытые квантованные уровни энергии. Эти уровни энергии интерпретируются как число наблюдаемых квантовых частиц: мода в первом возбужденном состоянии представляет собой одну частицу, во втором возбужденном состоянии – две, и так далее».

Первые несколько глав Кэрролл посвящает основам квантовой механики, так что к началу разговора о полях читатель действительно уже знает о квантовании энергии. Для меня там было важным замечание о принципе неопределенности. Из каких-то популярных объяснений я вынесла мысль, что неопределенность связана с тем возмущением, которое мы вносим в систему, пытаясь измерить координаты или импульс частицы. Вовсе нет, поправляет Кэрролл: координаты и импульс просто-таки не существуют независимо, являясь компонентами одного и того же квантового состояния.

Физический смысл имеют только квантовые состояния, а не наши способы их описания. В приложении Кэрролл пишет: «Нетривиальное физическое содержание заключается в осознании, что волновая функция импульса не независима от волновой функции координат, а представляет собой ее фурье-преобразование». (Наверное, убедиться в неправильности популярного представления еще проще, если вспомнить, что ничто не мешает нам одновременно определить с любой заданной точностью пару каких-нибудь других физических величин, например, импульс и заряд. Так?).

Некоторая квантовая неопределенность заметна и у самого Кэрролла относительно природы реальности. С одной стороны, он декларирует: «Согласно нашему нынешнему пониманию, квантовые поля являют собой основу реальности» (дальше он поясняет, что будущая теория квантовой гравитации может изменить это представление, но он не будет рассматривать ее возможные варианты в этой книжке). С другой, Кэрролл утверждает, что «Для наших целей реальность представлена волновой функцией, а все наши разговоры о «частицах» и «полях» – всего лишь полезный язык для размышлений о реальности в интуитивно-понятных терминах». Полагаю, примирить эти высказывания можно, приняв за «наши цели» адекватное математическое описание физической реальности. Что же касается математики, то мне понравился упомянутый Кэрроллом совет Джона Уилера: «Никогда не начинайте вычисления, если не знаете их результата» :)

Далее Кэрролл подробно разбирает лагранжианы, фейнмановские диаграммы, принцип ренормализации, различные виды симметрии, стандартную модель физики элементарных частиц, роль бозона Хиггса и еще многое другое. Я мужественно прочла все это, но не берусь оценить, какую долю процента я усвоила. Было бы интересно услышать мнение об этой книжке кого-нибудь более сведущего. Может, кто-нибудь из вас уже ее прочел?

Взаимодействие квантовой электродинамики и квантовой хромодинамики в нетривиальном вакууме. Анимация Josh Charvetto, Waseem Kamleh, Derek Leinweber, Ross Young и James Zanotti из Университета Аделаиды, Австралия. Вот пояснение авторов:
«В этой анимации топологическая плотность заряда сравнивается с плотностью электрического заряда пар кварк-антикварк и магнитным полем, которое они создают. Области большой плотности электрического заряда отображаются красным цветом для положительного заряда и фиолетовым для отрицательного, а связанное с ними магнитное поле иллюстрируется векторным полем. Области значительного топологического заряда отображаются цветами от желтого до красного для сильного выравнивания глюонного поля и от голубого до синего для антивыравнивания»

Comments

[egovoru.livejournal.com]

Да, я знаю, что энтузиазм по поводу струнной теории уже как-то иссяк, но есть люди, не оставляющие стараний - Брайен Грин, например. Его первая популярная книжка, "Элегантная Вселенная", когда-то произвела на меня неизгладимое впечатление :)

[mynine.livejournal.com]

Э-э, есть люди не оставляющие стараний в самых, хм, не могу подобрать эпитет, скажем, бессмысленных, безнадежных, хотя и где-то красивых предположениях. Но это не делает их более верными ) Большинство физиков надеются что будет создана новая теория, которая сумеет объединить КМ и ОТО, но пока ничего обещающего на горизонте не видно. Нужны новые экспериментальные данные. Примерно вокруг этого крутилась одна из основных сюжетных линий фильма Интерстеллар.

[egovoru.livejournal.com]

Вроде есть еще петлевая квантовая гравитация, которую пропагандирует, в частности, Ли Смолин? Или она уже тоже не оправдала себя?

[mynine.livejournal.com]

Нет. Как только что-то себя оправдает, об этом будут трубить из всех утюгов. Пропустить это будет невозможно. Но насколько я знаю, для всех новый теорий нужны какие-то зацепки, надо получить новые результаты, противоречащие или КМ или ОТО, и тут требуется совершенно новый уровень энергии в экспериментах, в миллионы раз мощнее чем БАК. А это никак не представляется возможным. Увы. ((

[egovoru.livejournal.com]

"надо получить новые результаты, противоречащие или КМ или ОТО"

Ну, или какой-то иной взгляд на проблему. Когда Эйнштейн предложил интерпретировать гравитацию как искривление пространства-времени, то он ведь не опирался ни на какие новые экспериментальные данные. Правда, Артур Эддингтон измерил отклонение звездных лучей Солнцем очень быстро после этого.

[mynine.livejournal.com]

Нет, тут вы ошибаетесь. Эйнштейн сперва создал СТО опираясь на новые экспериментальные данные (постоянство скорости света) и возникшего противоречия между галилеевским принципом относительности и электродинамикой. Но СТО неприменима для неинерциальных систем отсчета, и возникло новое противоречие между ньютоновской теорией гравитации и СТО — гравитация не может распространяться мгновенно, как предполагается у Ньютона. Во-вторых, был экспериментальный факт, который невозможно было объяснить в рамках ньютоновской теории — смещение перигелия Меркурия (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%B5%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%8F_%D0%9C%D0%B5%D1%80%D0%BA%D1%83%D1%80%D0%B8%D1%8F).

[egovoru.livejournal.com]

Да, смещение перигелия Меркурия, не объяснимое ньютоновской механикой, Леверье измерил еще в 19-м веке, но там могли быть и другие объяснения, вроде наличия до того неизвестных планет.

[mynine.livejournal.com]

Объяснения "могли быть", но их не было. Это принципиально. Следовательно, это смещение опровергало ньютоновскую теорию тяготения.

[pargentum.livejournal.com]

Насколько я понимаю, на ОТО Эйнштейна вывело [воспринимаемое] противоречие между постоянством скорости света (которое он с такими приключениями обосновал в СТО) с одной стороны и [частично] корпускулярной природой света (за которую он получил нобелевку) в сочетании с им же выведенной в рамках СТО формулой, приписывающей фотонам ненулевую массу.

[egovoru.livejournal.com]

То есть, опять же, не новые экспериментальные результаты, а нестыковки в имеющихся теориях? Сама я не берусь об этом судить, не слишком отчетливо представляя себе ситуацию в тогдашней физике.

[pargentum.livejournal.com]

Нестыковки в имеющихся новых на тот момент теориях, каждая из которых была призвана объяснить новые экспериментальные данные (на момент создания ОТО уже не очень новые, но в пределах десятилетия)