Samtale med klassikeren

Samtale med klassikeren

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №1, 2013

I verden af ​​moderne fysik er en professor ved University of Texas i Austin, Stephen Weinberg, blevet en levende legende. En af skaberne af Standard Model of Elementary Particles, Nobelprisvinderen og American National Medal for Scientific Research, medlem af USAs National Academy of Sciences og British Royal Society – og dette er ikke en komplet liste over titler og titler. Hans artikel "Leptonsmodellen", hvor teorien om elektroweak-interaktioner blev formuleret på kun to og en halv side, anses med rette for at være en af ​​de mest informative publikationer i hele den teoretiske fysiks historie. Populær mekanik spurgte professor Weinberg om at dele sine tanker om måle teorier.

– Syntes de klassiske værker af Amy Noether og Hermann Weyl på samme tid?

"Det er næppe et tilfælde." I 1905 skabte Einstein en speciel relativitetsteori, der sigte på at præcisere de konsekvenser, som lysets hastighed fører til. Fysikere, herunder Hendrik Anton Lorenz og Max Abraham, forsøgte at løse dette problem ved at udvikle elektronteorien.

Men Einstein gjorde ellers. Han postulerede symmetrien af ​​naturlovene, som i dag hedder Lorentz invariance. For Einstein virker det som et grundlæggende fysikprincip, hvorfra mange meget dybe konklusioner trækkes.

Nyheden af ​​denne ide er svært at overvurdere. Selvfølgelig har fysikere behandlet forskellige symmetrier før og brugt dem som nyttige hjælpeværktøjer. Einstein var dog den første til at indse, at symmetri kan bruges som grundlag for konstruktion af fysiske teorier, og at det skulle blive et selvstændigt emne for fysisk forskning. Han brugte denne nye tilgang til at skabe GR, med vilkårlig glatte transformationer af rumtids-koordinater, dens ligninger ændrer ikke form. Dette er også symmetri og meget stærkt.

Forsøg på at kombinere tyngdekraft og elektromagnetisme bevarede Weyl alle symmetrier af GR og tilføjede dem symmetri om skalaændringer. I modsætning til Weyl forsøgte Emmy Noether ikke at løse noget konkret fysisk problem, men hun afslørede dybe forbindelser mellem symmetrier og bevaringslove.Så hun og Weil udviklede Einstein-tilgangen, som satte symmetrier midt i naturlovene.

Fornavn: Steven Weinberg.

Blev født3. maj 1933 i New York.

formation: Cornell University (bachelorgrad, 1954), Princeton University (doktorgrad, 1957).
Arbejdspladser: Columbia University, University of California, Berkeley, MIT, Harvard University. Siden 1982 – Professor i fysik ved University of Texas i Austin.
Forskningsinteresser: kvantfeltteori, partikelfysik, tyngdekraft, kosmologi, superstringsteori, kvantekromodynamik.
tilbedelse: konsekvent ateist. Et af udsagnene: "Med religion eller uden det kan gode mennesker gøre godt, og dårlige mennesker kan gøre ondt, men for at gøre gode mennesker til at gøre ondt, kræver dette religion."
Videnskabspriser: Nobelprisen i fysik (1979), National Medal of Achievements in Science (1991), Lewis Thomas Award for Literary Works on Science (1999), Benjamin Franklin Medal for Fremragende Videnskaber i Videnskab (2004), Titel "Humanist of the Year" ) The American Humanist Association, æres titler på mere end et dusin universiteter, videnskabelige samfund og akademier.

– Hvem er den største fordel ved udviklingen af ​​måle teorier?

– Weil anses for at være grundlæggeren af ​​denne tendens og forfatteren af ​​udtrykket, men han kom ikke op med en kalibreringstilgang. I hans værker har gaugeinvariance kun en formel lighed med den fortolkning, at hun i 1954 fik Young og Mills. Disse forskere var de første til at vise, at brugen af ​​lokale gauge-symmetrier gør det muligt at forudsige ikke-trivielle fysiske effekter.

Min vurdering kan virke for streng, men i princippet er det muligt at arbejde med Maxwells ligninger i den form, de oprindeligt blev skrevet til. Men kvanteteorien om adfærd af en ladet partikel i et elektromagnetisk felt uden potentialer er endog umuligt at formulere. Derfor skal enhver af disse teorier foretages uden hensyntagen.

Men i 1920 fysik menes gauge symmetri ikke mere end formel konsekvens af overgangen til den kvantebeskrivelse af bevægelse af ladede partikler. Det var lang tid at gå forbi, før forskerne så i måleindholdet et fundamentalt princip, hvorfra meget mere kunne udledes,snarere end lovene for kvantelektrodynamik. Dette er en helt ny forståelse af gauge symmetri, historisk stigende til artiklen af ​​Yang og Mills. De viste for første gang, at de grundlæggende dynamiske egenskaber ved en fysisk teori følger af denne symmetri.

Hvorfor besluttede du dig for at tage op på dette emne?

– Jeg læste en artikel af Young og Mills, mens jeg studerede i high school i 1950'erne og var bogstaveligt fascineret. Deres arbejde er præget af den samme skønhed som GTR, hvor dynamikken også er afledt af symmetriens egenskaber. Selvfølgelig har mange teoretiske fysikere bemærket dette.

Men for den fysiske teori er matematisk elegance alene ikke nok. Hovedproblemet med modellen for Young and Mills var, at ingen kunne forstå, hvordan det drejer sig om rigtig fysik. Feltene Yang og Mills havde nulmassekvanta, og eksperimenterne havde aldrig set noget lignende. Det hele var denne masseløshed. Antag at du har en teori, der forudsiger en ny partikel, men gør det ikke muligt at beregne sin masse.

Hvis en partikel ikke kan detekteres eksperimentelt, kan det antages, at det er for tungt at blive født i eksisterende acceleratorer – der er ikke nok energi.Men for hypotetiske partikler med nøjagtigt nulmasse passerer sådanne undskyldninger ikke, og andre forklaringer er nødvendige, hvorfor de ikke kan findes. For modellen af ​​Yang og Mills var der ingen sådanne grunde, og derfor havde hun ikke været interesseret i lang tid, selvom mange teoretikere var bekendt med hende.

– Men stadig er denne model blevet anerkendt?

– Ja, selvfølgelig. I anden halvdel af 1960'erne fandt Abdus Salam og jeg uafhængigt de første fysiske anvendelser af Young and Mills-modellen. Mit arbejde blev udgivet i 1967, Salama – i 1968. Vi begge anvendte den såkaldte Higgs-mekanisme, der forklarer, hvordan spontan brud af målesymmetri resulterer i dannelsen af ​​massive partikler. Med den kunne vi konstruere en målersteori om elektroweak-interaktioner, der bærer fotoner og tre tunge vektor bosoner.

Sheldon Glashow udviklede en lignende teori flere år tidligere, men han kunne ikke klare masseproblemet ved disse bosoner.

Men det lykkedes os at beregne det, og som vist med eksperimenter, meget præcist. Sådan blev det først bevist, at måle teorier om grundlæggende interaktioner har reel prædiktiv effekt.Brugen af ​​Higgs-mekanismen gjorde også gauge-teorien om elektroweak-interaktioner matematisk konsistente – i den forstand, at det tillod os at rydde det af uendigheder, der ikke blev fjernet fra Glashow-modellen.

Hvad er moralsk for denne historie? Young og Mills byggede en meget smuk matematisk model, som i sin oprindelige form ikke havde nogen reel anvendelse. Salam og jeg lagde det som grundlag for en rigtig fysisk teori, som med tiden bestod en stringent eksperimenteltest. Tung vektor bosoner blev registreret, deres masser blev målt, teorien blev bekræftet.

For få måneder siden blev det meddelt, at Higgs boson ville blive opdaget. Vores teori kunne ikke forudsige massen af ​​denne partikel, den skulle bestemmes af eksperimenter.

Nobelprisvurdering.
I 1979 blev Weinberg tildelt Nobelprisen i Fysik "for hans bidrag til den samlede teori om svage og elektromagnetiske interaktioner mellem elementære partikler, herunder forudsigelsen af ​​svage neutrale strømme."

En ateist.
I 1999 på en konference om kosmologi sagde Weinberg: "Jeg glæder mig over dialogen mellem videnskab og religion, men det kan ikke være konstruktivt.En af videnskabens største resultater er, om ikke umuligheden for intelligente mennesker at være troende, så i det mindste muligheden for at være vantro. "

Popularizer.
Ud over mere end 300 rent videnskabelige publikationer har Stephen Weinberg skrevet flere populære videnskabsbøger, der er blevet klassikere af popularisering af grundvidenskab. Mange af hans værker blev oversat til russisk, hvoraf de mest kendte er de "De første tre minutter. En moderne kig på universets oprindelse" og "Drømme om en sidste teori: Fysik i søgning af naturens grundlægninger".

– Var dit arbejde og Salams arbejde en direkte udvikling af modellen for Young and Mills?

– Nej, det ville jeg ikke sige. Young og Mills tænkte ikke engang på de svage interaktioner. Ved hjælp af målefelter ønskede de at forklare de stærke interaktioner der forbinder protoner og neutroner i atomkerner. Men det blev kun gjort i 1970'erne.

– Hvordan skete dette?

– Der blev skabt kvantekromodynamik, der forklarede egenskaber og struktur af hadroner, kompositpartikler, der deltager i stærke interaktioner. De består af kvarker fastgjort indbyrdes af målefelter med masseløse kvanta-gluoner.Og her opstod det tidligere spørgsmål igen: Hvis gluoner ikke har masse, hvorfor overholder vi dem ikke i deres rene form?

gluoner

I modsætning til fotoner interagerer gluoner ikke kun med kvarker, men også med hinanden, da gluonfelter adlyder en anden type gauge-symmetri end elektromagnetisk.

Det er inter-gluon-interaktioner, der forårsager svækkelse af bindinger mellem gluoner og kvarker ved høje energier, det vil sige på meget små afstande (denne effekt kaldes asymptotisk frihed). Sådanne vekselvirkninger forklarer sandsynligvis styrkelsen af ​​bindinger i store afstande, hvoraf kvarker og gluoner ikke kan eksistere som isolerede partikler, men kun som en del af hadroner (dette kaldes indespærring).

Mange teoretikere har antaget, at gluoner stadig vinder masse på grund af spontan brydning af målesymmetri – som vektor bosoner, der bærer svage interaktioner. Som sagt, på den måde kan deres observerbarhed henføres til for store masser. Der var imidlertid ikke den mindste fornuftige grund til fødslen af ​​sådanne tunge gluoner.

Denne gåde blev løst med en helt uventet metode,som igen demonstrerede kraften i målemodeller og resulterede i oprettelsen af ​​standardmodellen for elementære partikler, hvilket gør det muligt at forklare næsten alle resultaterne af eksperimenter. Gross, Wilczek og Politzer fandt en bemærkelsesværdig egenskab af de forskellige Yang-Mills felter, der arbejder i kvantekromodynamik. Det viste sig, at når effekten stiger, falder deres effektive interaktion konstant. Derefter indså Gross med Wilczek og jeg, at i dette tilfælde, som energien falder, skal denne konstant stige.

Det kan ikke hævdes, at måle teorier er den ultimative sandhed.

Standardmodellen, som enhver videnskabelig teori, har sine grænser. For eksempel hævder hun, at neutriner ikke burde have masse. Imidlertid findes masserne af disse partikler stadig, selvom de er meget små, i størrelsesordenen en millionste elektronmasse.

Derudover er der i standardmodellen ikke plads til partikler af mørkt materiale, uanset deres natur. Og selvfølgelig er den største svaghed, at den ikke beskriver tyngdekraften.

Det betyder, at den korte afstandsinteraktion mellem kvarker og gluoner er meget svagere end den fjerne.Herfra kan vi konkludere, at kvarker og gluoner er så stærkt tiltrukket af hinanden i store afstande, at det ikke er muligt at observere dem særskilt.

– Hvad er de vigtigste fordele og svage punkter i måle teorien om grundlæggende interaktioner?

– Godt spørgsmål. Vi teoretiske fysikere tog den lektion, som Einstein i 1905 lærte os i all alvorlighed. Han indså, at naturen på det mest fundamentale niveau er underlagt de kraftige symmetriprinciper. Disse symmetrier giver naturens love den enkelhed, som forskere har længe søgt.

Jeg sagde engang selv, at hvis de grundlæggende naturlove ikke blev skelnet af enhed, enkelhed og elegance, ville jeg simpelthen være uinteressant at håndtere dem.

Nu ser næsten alle i Standard Model ikke mere end en meget god tilnærmelse til en dybere teori, som endnu ikke er tilgængelig.

Og jeg indrømmer fuldt ud, at gauge-symmetrier på dette grundlæggende niveau ikke kommer ind i denne teori. For eksempel er der i strengeteoriets struktur ikke nogen målefelter, selvom deres analoger fremgår af en omtrentlig løsning af dens ligninger. På den anden side ved vi stadig ikke, om denne teori er relevant for den virkelige verden.Det viser sig, at fremtiden for måle teorier endnu ikke er klar, men de fungerer perfekt i deres anvendelsesområde.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: