Стивен Вайнберг - Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

• Название: Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы
• Автор: Стивен Вайнберг
• Издательство: Едиториал УРСС
• Жанр: Физика
• Год: 2004
• ISBN: 5-354-00526-4

В своей книге «Мечты об окончательной теории» Стивен Вайнберг – Нобелевский лауреат по физике – описывает поиск единой фундаментальной теории природы, которая для объяснения всего разнообразия явлений микро– и макромира не нуждалась бы в дополнительных принципах, не следующих из нее самой. Электромагнитные силы и радиоактивный распад, удержание кварков внутри нуклонов и разлет галактик – все это, как стремятся показать физики и математики, лишь разные проявления единого фундаментального закона.

Вайнберг дает ответ на интригующие вопросы: Почему каждая попытка объяснить законы природы указывает на необходимость нового, более глубокого анализа? Почему самые лучшие теории не только логичны, но и красивы? Как повлияет окончательная теория на наше философское мировоззрение?

Ясно и доступно Вайнберг излагает путь, который привел физиков от теории относительности и квантовой механики к теории суперструн и осознанию того, что наша Вселенная, быть может, сосуществует рядом с другими вселенными.

Книга написана удивительно живым и образным языком, насыщена афоризмами и остроумными эпизодами. Она распахивает читателю двери в новый мир и помогает понять то, с чем он там встретится.

---

А7

В металле эти внешние электроны отрываются от отдельных атомов и путешествуют между ними, так что чисто металлическая медь не проявляет особой тенденции поглощать фотоны именно оранжевого цвета, поэтому сама медь не выглядит зелено-голубой.

А8

Речь идет о событиях конца 1970-х гг. – Прим. перев.

А9

Слова, что Вселенная расширяется, могут ввести в заблуждение, так как ни планетные системы, ни галактики, ни само пространство не расширяются. Галактики разлетаются друг от друга точно так же, как разлеталось бы любое облако частиц, получивших первоначальный толчок, отбрасывающий их друг от друга.

А10

Под холизмом (от англ. whole – целый) понимается изучение сложных структур в их целостности без сведения к изучению отдельных сторон явления. – Прим. перев.

А11

Насколько я могу понять, Майр различает три вида редукционизма: конструктивный редукционизм (или онтологический редукционизм, или анализ), являющийся методом изучения объектов путем разложения их на составные части; теоретический редукционизм, являющийся объяснением целой теории с помощью более общей теории; объясняющий редукционизм, представляющий собой точку зрения, что «полное знание о тех далее неделимых составных частях, из которых состоит сложная система, достаточно для ее объяснения». Главная причина, по которой я отвергаю эту классификацию, заключается в том, что каждая из приведенных категорий имеет мало общего с тем, что я имею в виду (хотя, пожалуй, теоретический редукционизм мне ближе всего). Каждая из этих категорий определяется тем, что делали, делают или будут делать ученые; я же говорю о самой природе. Например, хотя физики и не могут объяснить свойства очень сложных молекул вроде ДНК с помощью квантовой механики электронов, ядер и электрических сил, а химикам удается справится с этим с помощью своего языка и своих понятий, все равно не существует независимых принципов химии, являющихся истинами, не основанными на более глубоких принципах физики.

А12

Мы с Альвином Вайнбергом друзья, но не родственники. В 1966 г., когда я впервые посетил Гарвард, я оказался во время обеда в факультетском клубе за одним столом с покойным Джоном Ван Флеком, несколько резковатым аристократического вида физиком. Он был одним из тех, кто в конце 1920-х гг. впервые применил новые методы квантовой механики к теории твердого тела. Ван Флек спросил меня, не являюсь ли я родственником того Вайнберга. Я был несколько ошарашен, но потом понял, что он имел в виду: в те годы я был довольно молодым теоретиком, а Альвин был директором Окриджской Национальной лаборатории. Я собрал все мои запасы сарказма и ответил, что я сам по себе Вайнберг. Мне показалось, что это не произвело на Ван Флека сильного впечатления.

А13

Гамов Г. Мистер Томпкинс исследует атом. М.: УРСС, 2003. – Прим. ред.

А14

Более точно, элементами гейзенберговской таблицы были, как их называют, амплитуды переходов, квадраты которых определяют скорости переходов. После того как Гейзенберг вернулся с Гельголанда в Геттинген, ему объяснили, что математические операции над такими таблицами давно хорошо известны математикам; подобные таблицы математики называют матрицами, а операции, в результате которых можно перейти от таблицы, представляющей скорость электрона, к таблице, представляющей квадрат скорости, известны как матричное умножение. Это один из примеров загадочной способности математиков предвидеть те структуры, которые имеют отношение к реальному миру.

А15

Более точно, поскольку длина волны света равна постоянной Планка, деленной на импульс фотона, неопределенность в положении любой частицы не может быть меньше, чем постоянная Планка, деленная на неопределенность ее импульса. Мы не замечаем неопределенности в положении обычных тел вроде биллиардных шаров, так как постоянная Планка очень мала. В системе единиц, с которой лучше всего знакомо большинство физиков и основанной на сантиметрах, граммах и секундах как базовых единицах длины, массы и времени, планковская постоянная равна 6,626 × 10−27г · см2· с−1. Это значение так мало, что длина волны биллиардного шара, катящегося по столу, много меньше размера атомного ядра. Таким образом, не составляет труда одновременно очень точно измерить как положение шара, так и его импульс.

А16

Мне посчастливилось встречаться с Бором, правда уже в конце его научной деятельности и в самом начале моей. Бор принимал меня, когда я в первый раз приехал на годичную стажировку в его институт в Копенгагене. Однако мы беседовали очень мало, так что я не вынес из этих разговоров каких-то мудрых мыслей – Бор был знаменит своим бормотанием и всегда было довольно трудно догадаться, что он имеет в виду. Я помню выражение ужаса на лице моей жены, когда во время вечеринки, проходившей в зимнем саду его дома, Бор что-то долго ей говорил и она чувствовала, что не может понять ничего из того, что ей говорит великий человек.

А17

В последующие годы Бор подчеркивал важность принципа дополнительности в областях, весьма далеких от физики. Рассказывают, что однажды Бора спросили на немецком языке, какое качество дополнительно к истине (Wahrheit). После некоторых раздумий Бор ответил: ясность (Klahrheit). Я почувствовал глубину этого высказывания, когда писал эту главу.

А18

См.: Диккенс Ч. Рождественская песнь в прозе / Пер. Т. Озерской // Диккенс Ч. Приключения Оливера Твиста. Повести и рассказы. М: Художественная литература, 1969 (Библиотека всемирной литературы. Серия вторая. Т. 82). – Прим. перев.

А19

Строго говоря, это верно только для медленно движущихся тел малых размеров. Для тел, движущихся с большой скоростью, сила тяготения зависит также от их импульса. Именно поэтому гравитационное поле Солнца способно отклонять лучи света, так как они обладают импульсом, но не массой.

А20

Отнюдь не каждая сумма бесконечного числа слагаемых сама бесконечно велика. Например, хотя сумма 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 +… действительно бесконечна, но сумма 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 +… оказывается вполне конечной величиной.

А21

Чуть более точно, включение процесса с позитроном приводит к тому, что сумма по энергиям ведет себя как сумма ряда 1 + 1/2 + 1/3 +…, а не как сумма 1 + 2 + 3 + 4 +… Обе суммы бесконечны, но одна чуть в меньшей степени, чем другая, в том смысле, что требуется меньше усилий понять, что с ней делать.

А22

Этим же «балуется» более знакомый русскому читателю Андрей Вознесенский. – Прим. перев.

А23

Например, частота, с которой осциллирует волновая функция любой системы в состоянии с определенной энергией, равна этой энергии, деленной на мировую константу – постоянную Планка. Такая система выглядит совершенно одинаково для двух наблюдателей, установивших показания своих часов с разницей в одну секунду. Однако, если они оба посмотрят на систему в тот момент, когда часы каждого показывают ровно полдень, обнаружится, что колебания находятся в разных фазах. Так как часы установлены по-разному, наблюдатели на самом деле фиксируют положение системы в разные моменты времени, так что один наблюдатель может, например, видеть горб волны, а другой – впадину. В частности, фаза отличается на число циклов колебаний (или долей цикла) за одну секунду, т.е. на частоту колебаний в циклах за секунду, а следовательно, на энергию, деленную на постоянную Планка. В современной квантовой механике мы определяем энергию любой системы как изменение фазы (в циклах или долях цикла) волновой функции этой системы в данный момент времени по часам, если сдвинуть установку часов на одну секунду. Постоянная Планка участвует в игре только потому, что энергия исторически измеряется в единицах типа калорий, киловатт-часов или электрон-вольт, принятых задолго до создания квантовой механики. Постоянная Планка является просто переводным множителем между этими более старыми системами единиц и естественной квантово-механической единицей энергии – числом циклов в секунду. Можно показать, что определенная таким образом энергия обладает всеми свойствами, которые мы обычно ассоциируем с этим понятием, в том числе свойством сохранения. Действительно, инвариантность законов природы относительно преобразования симметрии, заключающегося в переустановке наших часов, и дает ответ на вопрос, почему существует такая величина, как энергия. Точно так же компонента импульса любой системы в любом заданном направлении определяется как произведение постоянной Планка на изменение фазы волновой функции при сдвиге точки, относительно которой измеряются координаты, на один сантиметр в этом направлении. Величина спина системы относительно любой оси определяется как произведение постоянной Планка на изменение фазы волновой функции при повороте системы отсчета, используемой нами для измерения направлений, на один оборот вокруг этой оси. С такой точки зрения импульс и спин представляют собой то, что они есть, благодаря симметрии законов природы относительно изменений системы отсчета, используемой нами для измерения положений или направлений в пространстве. (Перечисляя свойства электронов, я не включил координату, так как координата и импульс являются сопряженными величинами. Можно описывать состояние электрона, задавая его координату или импульс, но не обе величины одновременно.)