Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Бэгготт Джим

Теорема Нетер. Разработанная Амалией Эмми Нетер в 1918 году, теорема соединяет законы сохранения с непрерывными симметриями физических систем и описывающих их теорий, что используется как инструмент при разработке новых теорий. Сохранение энергии отражает тот факт, что управляющие энергией законы инвариантны изменениям или так называемым трансляциям во времени. Что касается импульса, то законы инвариантны трансляциям в пространстве. Что касается момента импульса, то законы инвариантны углу направления, измеренного от центра вращения.

Теория великого объединения. Любая теория, которая старается объединить электромагнитное, сильное и слабое ядерное взаимодействия в единой структуре, является примером теории великого объединения. Первую теорию такого типа разработали

Шелдон Глэшоу и Ховард Джорджи в 1974 году. ТВО не учитывают гравитацию; теории, которые учитывают гравитацию, обычно называются теориями всего.

Теория возмущения. Математический метод нахождения приблизительных решений для уравнений, которые нельзя решить точно. Уравнение преобразуется в виде разложения возмущения – суммы потенциально бесконечного ряда членов, которые начинаются с выражения нулевого порядка, имеющего точное решение. К нему прибавляются дополнительные члены (возмущения), представляющие поправки первого порядка, второго порядка, третьего порядка и т. д. В принципе каждый член разложения представляет собой все меньшую и меньшую поправку к результату нулевого порядка, что постепенно подводит ответ все ближе к фактическому результату. Точность окончательного результата зависит от количества возмущающих членов, участвующих в расчете. Хотя структурно это совсем другой пример, тем не менее можно представить себе, как действует разложение возмущения, если посмотреть на разложение степенного ряда простой тригонометрической функции, например sin x. Первые несколько членов разложения таковы: sin x = x – x³/3! + x⁵/5! – x⁷/7! + … Для x = 45° (0,785398 радиана) первый член дает 0,785398, из чего мы вычитаем 0,080745, потом прибавляем 0,002490, потом вычитаем 0,000037. Каждый последующий член дает небольшую поправку, и всего через четыре члена мы получаем результат 0,707106, сравнимый с sin (45°) = 0,707107.

Теория Янга – Миллса. Квантовая теория поля, основанная на калибровочной инвариантности, разработана в 1954 году Янгом Чжэньнином и Робертом Миллсом. Теория Янга – Миллса включает все компоненты современной Стандартной модели физики элементарных частиц.

Тера. Приставка, означающая триллион. Тераэлектронвольт (ТэВ) – триллион электронвольт, 10¹² эВ или 1000 ГэВ.

Триллион. Тысяча миллиардов или миллион миллионов, 10¹² или 1 000 000 000 000.

Фермион. Назван в честь итальянского физика Энрико Ферми. У фермионов полуцелые спины (¹/₂, ³/2 и т. д.), к ним относятся кварки, лептоны и многие составные частицы, образованные разными комбинациями кварков, например барионы.

Фотон. Элементарная частица, участвующая во всех видах электромагнитного излучения, включая видимый свет. Безмассовый бозон со спином 1, переносчик электромагнитного взаимодействия.

Холодная темная материя (Cold Dark Matter, CDM). Ключевой компонент Современной модели космологии Большого взрыва, называемой CDM. По современным данным, на долю темной материи приходится около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Состав темной материи неизвестен, но считается, что она в основном состоит из небарионной материи, то есть материи, образованной не протонами и нейтронами, а, скорее всего, частицами, пока еще неизвестными Стандартной модели. Среди кандидатов также слабовзаимодействующие массивные частицы, «вимпы» (WIMPs). Они обладают многими свойствами нейтрино, однако они должны быть гораздо более массивными и потому двигаться гораздо медленнее. Суперсимметричные расширения Стандартной модели предполагают, что такими частицами могут быть нейтралино.

Цветной заряд. Свойство кварков, помимо аромата (верхний, нижний, странный и т. д.). В отличие от электрического заряда, который бывает двух видов –

положительный и отрицательный, у цветного заряда три вида: красный, зеленый, синий. Разумеется, эти названия не означают, что кварки в самом деле имеют цвет в привычном смысле слова. Цветовое взаимодействие между кварками переносят цветные глюоны.

Цветовое взаимодействие. Сильное взаимодействие, которое удерживает кварки и глюоны внутри адронов. В отличие от более привычных взаимодействий, таких как гравитационное и электромагнитное, цветовому взаимодействию свойственна асимптотическая свобода – на асимптотическом пределе нулевого разделения кварки ведут себя так, будто они совершенно свободны. Сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны в ядре атома, считается «остатком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов.

ЦЕРН. Сокращение от Conseil Europ'een pour la Recherche Nucl'eaire (Европейский совет по ядерным исследованиям), основан в 1954 году. После роспуска временного совета и учреждения организации она получила название Европейская организация по ядерным исследованиям, однако сокращение решили оставить. ЦЕРН находится на северо-западной окраине Женевы недалеко от швейцарско-французской границы.

Электрический заряд. Свойство, которым обладают кварки и лептоны (и более привычные протоны и электроны). Электрический заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный, а отрицательно заряженный ток лежит в основе электроэнергетической промышленности.

Электромагнитное взаимодействие. Благодаря трудам нескольких физиков-экспериментаторов и теоретиков, главным образом английского физика Майкла Фарадея и шотландского теоретика Джеймса Кларка Максвелла, электричество и магнетизм считаются компонентами единого фундаментального взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядром внутри атома, а также сами атомы, образующие огромное разнообразие молекул и веществ.

Электрон. Открыт в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Электрон – лептон первого поколения с зарядом –1, спином ¹/₂ (фермион) и массой 0,51 МэВ.

Электронвольт (эВ). Электронвольт – количество энергии, приобретаемое одним отрицательно заряженным электроном при ускорении в одновольтном электрическом поле. 100-ваттная электрическая лампа сжигает энергию со скоростью 600 миллиардов миллиардов электронвольт в секунду.

Электрослабое взаимодействие. Несмотря на большую разницу в масштабе между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействием, когда-то они составляли единое электрослабое взаимодействие, которое, как считается, существовало в электрослабую эпоху в период с 10^–3 по 10^–12 секунд после Большого взрыва. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории поля SU(2) x U(1) впервые осуществил Стивен Вайнберг и независимо Абдус Салам в 1967–1968 годах.

Элемент. Философы Древней Греции считали, что вся материальная субстанция состоит из четырех элементов – земля, воздух, огонь и вода. Аристотель ввел пятый элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией, чтобы описать неизменные небеса. На сегодняшний день античная концепция элементов сменилась системой химических элементов. Химические элементы имеют фундаментальный характер в том отношении, что не могут быть преобразованы друг в друга химическими способами, иными словами, они состоят только из одного вида атомов. Элементы организованы в периодическую таблицу от водорода до урана и дальше.

Ядро. Плотная область в центре атома, в которой сконцентрирована большая часть массы атома. Атомные ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов. Ядро атома водорода состоит из одного протона.

Библиография

Baggott J. Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory. Oxford University Press, 2003.

Baggott J. The Quantum Story: A History in 40 Moments. Oxford University Press, 2011.