egovoru | Будто сорван покров, и, немея, ты видишь воочью

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»