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

[pargentum.livejournal.com]

Какой-то он дискретный получается :).
Но как образ - может быть и да.
Эфир как конкретная теория, предсказывавшая эфирный дрейф - нет, эти частицы подчиняются СТО и инвариантны в инерциальных системах отсчета.

[egovoru.livejournal.com]

В русской Вики занятное обсуждение того, следует ли считать виртуальные частицы физической реальностью или нет. А Вы как думаете?

[pargentum.livejournal.com]

Они дают наблюдаемые эффекты, в том числе объяснимые (в рамках современных представлений) только ими, например эффект Казимира, тонкая структура спектральных линий, аномальное гиромагнитное отношение. Поэтому я не вижу причин не считать их частью реальности, как бы странно это ни звучало.

[egovoru.livejournal.com]

А бывают наполовину виртуальные частицы, или это дискретное свойство?

[pargentum.livejournal.com]

Как я понимаю, нет. Невиртуальная частица - это наблюдаемая. Как можно быть наполовину наблюдаемым?

[egovoru.livejournal.com]

Там Вы же выше написали, что - вполне наблюдаемый! - эффект Казимира есть результат существования виртуальных частиц? Или он не засчитывается как "наблюдение"?

[pargentum.livejournal.com]

Как наблюдение самой частицы - нет.

[egovoru.livejournal.com]

Ну, а какая разница, наблюдаем мы воздействие единичной частицы на наш измерительный прибор, или целой их совокупности?

[pargentum.livejournal.com]

В квантовой механике, как вы помните, сплошь и рядом встречаются различия, возникающие из-за того что именно мы наблюдаем.

[egovoru.livejournal.com]

Вики пишет, что виртуальные частицы - это такие, для которых не выполняется соотношение E^2 = m^2c^4 +p^2c^2 (^ тут обозначает возведение в степень).

[pargentum.livejournal.com]

Если вдуматься, это и есть тот же обоснуй про неопределенность, без которой создание этих частиц было бы запрещено законом сохранения энергии.
Например, в системе из неподвижных зарядов энергия не меняется, поэтому на создание фотонов энергии нету, поэтому они могут быть только виртуальными. А когда заряд ускоряется, к его носителю надо было приложить работу, и он может создавать реальные фотоны.

[egovoru.livejournal.com]

"в системе из неподвижных зарядов энергия не меняется, поэтому на создание фотонов энергии нету, поэтому они могут быть только виртуальными"

А почему же они (виртуальные фотоны) непременно должны быть? Ну, нету энергии - нету и фотонов? Тем более, что мы же ничего в этой ситуации не регистрируем, никаких новых частиц?

[pargentum.livejournal.com]

А откуда тогда сила взаимодействия берется?

[egovoru.livejournal.com]

Может, свойства самого пространства меняются, как при гравитации? Потому что, согласитесь, виртуальные частицы - все же какая-то сомнительная концепция, разве нет?

[pargentum.livejournal.com]

Если бы свойства пространства менялись, оно бы действовало на незаряженные объекты, и мы бы могли измерить это искривление в лаборатории. Электрическое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, навскидку, искривление пространства школьной электростатической машинкой должно было бы быть видно невооруженным глазом.

[egovoru.livejournal.com]

Ну, может, если удастся создать квантовую гравитацию, и виртуальные частицы больше не понадобятся?

[pargentum.livejournal.com]

Я перечислял эффекты, которые без виртуальных частиц объяснить невозможно (причем не все перечислил). Ни в одном из них сама частица не наблюдается

[egovoru.livejournal.com]

Да, как я понимаю, виртуальные частицы и придумали для того, чтобы объяснить эти эффекты. Но, может быть, в будущем найдут какое-то другое объяснение? Впрочем, не знаю, зачем я прицепилась к этим частицам: они - далеко не самое непонятное в квантовой теории поля :)

ЖЖ почему-то заскринил Ваш комментарий :(

[pargentum.livejournal.com]

Попал под лошадь, ЖЖ меня теперь скринит.

[egovoru.livejournal.com]

Да, я уже заметила это :)
Интересно, чем же Вы провинились? :)