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.

---

Б19

Наиболее стабильными являются те элементы, у которых число электронов полностью заполняет одну или несколько оболочек. К таким элементам относятся благородные газы гелий (два электрона), неон (десять электронов), аргон (восемнадцать электронов) и т.д. (Эти газы называются благородными, так как вследствие стабильности их атомов эти газы не участвуют в химических реакциях.) У кальция двадцать электронов, так что два из них находятся вне заполненных оболочек аргона, и они могут быть легко потеряны. Кислород имеет восемь электронов, так что не хватает как раз двух для того, чтобы заполнить оболочки неона, так что кислород охотно подбирает два электрона, чтобы заполнить дырки в своих оболочках. Углерод имеет шесть электронов, так что его можно рассматривать либо как гелий с четырьмя лишними электронами, либо как неон с четырьмя недостающими электронами, и поэтому углерод может как терять, так и приобретать четыре электрона. (Такая амбивалентность позволяет атомам углерода очень сильно связываться друг с другом, например, как в алмазе.)

Б20

Если атом обладает положительным или отрицательным электрическим зарядом, то он стремится захватывать или терять электроны до тех пор, пока не станет нейтральным.

Б21

Anderson P. // Science 177 (1972): 393.

Б22

Чтобы определить энтропию, представьте, что температура некоторой системы очень медленно увеличивается от абсолютного нуля. Увеличение энтропии системы при получении каждой последующей маленькой порции тепловой энергии равно этой энергии, деленной на ту абсолютную температуру, при которой тепловая энергия передается.

Б23

Важно заметить, что в системе, обменивающейся энергией с окружающей средой, энтропия может уменьшаться. Возникновение жизни на Земле связано с уменьшением энтропии, и это разрешено термодинамикой, поскольку Земля получает энергию от Солнца и отдает энергию в окружающее пространство.

Б24

Nagel E. The Structure of Science, pp. 338–45.

Б25

История этой битвы излагается в книге: Brush S. The Kind of Motion We Call Heat (Amsterdam: North-Holland, 1976), особенно в разделе 1.9 книги 1.

Б26

Термодинамика применима к черным дырам не потому, что внутри них находится большое число атомов, а потому, что черные дыры содержат большое число определяемых квантовой теорией гравитации фундаментальных единиц массы, каждая из которых равна 10−5г и называется массой Планка. Если бы черная дыра имела массу меньше 10−5г, термодинамика к ней была бы неприменима.

Б27

Hoffman R. Under the Surface of the Chemical Article // Angewandte Chemie 27 (1988): 1597–1602.

Б28

Primas H. Chemistry, Quantum Mechanics, and Reductionism, 2nd ed. (Berlin: Springer-Verlag, 1983).

Б29

Pauling L. Quantum Theory and Chemistry // Max Plank Festschrift / Ed. B. Kockel, W. Mocke, and A. Papapetrou (Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaft, 1959), pp. 385–88.

Б30

Pippard А.В. The Invincible Ignorance of Science // Contemporary Physics 29 (1988): 393 – лекция памяти Эддингтона, прочитанная в Кэмбридже 28 января 1988.

Б31

Иногда утверждают, что разница между человеком и другими животным и состоит в способности говорить и что люди обретают сознание только тогда, когда начинают говорить. В то же время компьютеры используют определенный язык, но не кажутся обладающими сознанием, а наш старый сиамский кот Тай Тай никогда не говорил (и имеет ограниченное число выражений мордочки), но во всех остальных отношениях проявляет те же признаки сознательной деятельности, что и люди.

Б32

Ryle G. The Concept of Mind (London: Hutchinson, 1949).

Б33

Gissing G. The Place of Realism in Fiction. Reprinted in Selections Autobiographical and Imaginative from the Works of George Gissing (London: Jonathan Cape and Harrison Smith, 1929), p. 217.

Б34

Moyers B. A World of Ideas / Ed. B.S. Flowers (New York: Doubleday, 1989), pp. 249–62.

Б35

Anderson P. On the Nature of Physical Law // Physics Today, December 1990, p. 9.

Б36

Откровенно говоря, я должен добавить, что Ян рассматривает свою работу как разумное расширение копенгагенской интерпретации квантовой механики, а не как часть паранормальной программы. Реалистичная интерпретация квантовой механики на языке «многих историй» имеет то преимущество, что позволяет избежать такого рода путаницы.

Б37

Jahn R.G. // Physics Today, October 1991, p. 13.

Б38

Общая теория относительности во многом основана на том принципе, что гравитационные поля не оказывают влияния на очень маленькие свободно падающие тела, кроме того, что определяют их свободное падение. Земля находится в состоянии свободного падения в Солнечной системе, поэтому, находясь на Земле, мы не ощущаем гравитационного поля Луны, Солнца или чего-нибудь еще, не считая явлений вроде приливов, возникающих из-за того, что Земля не очень мала.

Б39

Science, August 9, 1991, p. 611.

Б40

Однажды в статье я назвал эту точку зрения «объективный редукционизм», см. Weinberg S. Newtonianism, Reductionism, and the Art of Congressional Testimony // Nature 330 (1987): 433–37. Я сомневался, что эта фраза будет подхвачена философами науки, но ее подхватил, по крайней мере, биохимик Дж. Робинсон (См. Robinson J.D. Aims and Achievements of the Reductionist Approach in Biochemistry/Molecular Biology/Cell Biology: A Response to Kincaid // Philosophy of Science).

Б41

Достоевский Ф.М. Записки из подполья: Собр. соч. в 9 т. Т. 2. М.: ACT, 2003.

Б42

Мауr Е. How Biology Differs from the Physical Sciences // Evolution at a Crossroads / Ed. D. Depew and B. Weber (Cambridge, Mass.: MIT Press, 1985), p. 44.

Б43

Weinberg S. Unified Theories of Elementary Particle Interactions // Scientific American 231 (July 1974): 50.

Б44

Weinberg S. Newtonianism.

Б45

См. Мауr E. The Limits of Reductionism и мой ответ в журнале Nature 331 (1987): 475.

Б46

Park R.L. // The Scientist, June 15,1987 (из доклада на симпозиуме «Большая наука/Малая наука» на ежегодном заседании Американского физического общества 20 мая 1987).

Б47

Цит. по Anderson R.W. Письмо в газету Нью-Йорк Таймс от 8 июня 1986.

Б48

Rubin H. Molecular Biology Running into a Cul-de-sac? Письмо в журнал Nature 335 (19SS): 121.

Б49

Mayr Е. The Growth of Biological Thought: Diversity, Evolution, and Inheritance (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1982), p. 62.

Б50

Я использую здесь слово «прямая», так как на самом деле разные ветви физики оказывают друг другу значительную косвенную помощь. Частично это проявляется в виде взаимного обогащения идеями. Так, физики-твердотельщики добыли один из своих главных математических методов (так называемый метод ренормализационной группы) в физике частиц, а физики-частичники узнали о явлении спонтанного нарушения симметрии из физики твердого тела. В 1987 г. на слушаниях в комитете конгресса, давая показания в поддержку проекта ССК, Роберт Шриффер (один из создателей, вместе с Джоном Бардиным и Леоном Купером, современной теории сверхпроводимости) подчеркнул, что его собственная работа над проблемой сверхпроводимости возникла из опыта работы над мезонными теориями в физике элементарных частиц. (В статье «Джон Бардин и теория сверхпроводимости», опубликованной в журнале Physics Today в апреле 1992 г., Шриффер отмечает, что высказанная им в 1957 г. догадка о виде квантово-механической волновой функции возникла из размышлений о более чем двадцатилетней давности работе Синитиро Томонаги по теории поля.) Конечно, есть и другие способы взаимопомощи разных ветвей физики. Например, если бы не удалось создать магниты со сверхпроводящими обмотками, то энергетические затраты на работу ССК сделали бы проект безнадежно дорогим; синхротронное излучение, испускаемое в качестве побочного продукта в ряде ускорителей высоких энергий, оказалось весьма ценным в медицине и материаловедении.

Б51

Weinberg A.M. Criteria for Scientific Choice // Physics Today March 1964, pp. 42–48. Также см. Weinberg A.M. Criteria for Scientific Choice // Minerva 1 (winter 1963): 159–71; и Criteria for Scientific Choice II: The Two Cultures // Minerva 3 (Autumn 1964): 3–14.

Б52

Weinberg S. Newtonianism.

Б53

Gleick J. Chaos: Making a New Science (New York: Viking, 1987).

Б54

Выступление Дж. Глейка на Нобелевской конференции в колледже Густава Адольфа в октябре 1991.

Б55

Конечно, в любом объеме пространства имеется бесконечное количество точек, и реально невозможно привести список чисел, представляющий любую волну. Однако для наглядности (а часто и для численных расчетов) можно представлять себе пространство состоящим из очень большого, но конечного числа точек, занимающих большой, но конечный объем.

Б56

Они представляют собой комплексные числа, в том смысле, что в них содержится величина, обозначаемая буквой i и равная корню квадратному из −1, а также обычные положительные и отрицательные числа. Та часть комплексного числа, которая пропорциональна i, называется его мнимой частью, оставшаяся называется действительной частью. Я опускаю подробности, связанные с этим усложнением, так как хотя оно само по себе важно, но не влияет на те замечания по поводу квантовой механики, которые я хотел бы сделать.