Вся физика в 15 уравнениях
Шрифт:
В принципе, Джексон рассматривает только классический электромагнетизм, не учитывая квантовых явлений. Поля, физические объекты и уравнения сохраняют полную строгость и чистоту уравнений Максвелла и не проваливаются в квантовое зазеркалье с нечеткими контурами и неопределенными предсказаниями. Или нет? В нескольких случаях он проникает в квантовый мир, блестяще отделяя то, что действительно квантово, от того, что таковым не является, получая некоторые результаты, которые всегда представлялись квантовыми на основе классической теории. Настоящее искусство, как разглядеть Веласкеса на картине Дали или прочесть Пушкина в романе Гоголя…
Хитрый Z 0
В 1983
Неожиданно в нашем эксперименте UA2 среди множества столкновений обнаружилось событие, которое содержало электрон и позитрон… но, кроме них, сопровождалось еще и высокоэнергетическим фотоном, хорошо отделенным от двух других частиц. Тут же вся наша «коллаборация» — команда, ответственная за эксперимент UA2, - переполнилась неким волнением. Был ли это уже Z 0? Но что тогда за дополнительный фотон? Может ли это событие быть признаком экзотической, новой и неожиданной частицы, такой как возбужденный электрон? Или это был «обычный» Z 0, распад которого сопровождался внутренним излучением, эффект, наблюдавшийся ранее и при распаде других частиц? Теперь нам требовалось рассчитать, какова вероятность того, что истинный Z0 может таким образом распадаться на электрон и позитрон с испусканием фотона?
Никто из нас не был сразу готов к такому вопросу и, более того, не имел на руках готового расчета. По общему признанию, квантовая теория поля позволяла рассчитать эту вероятность, но у нас тогда не было программ, которые мы имеем сегодня, которые могут произвести такой расчет почти автоматически. Нам оставалось сделать это самим. Расчет немного сложен, и он требует некоторой практики, чтобы быть уверенным, что ты не потерял нигде множитель 2 или п. Но один из нас (я или мой научный руководитель) вспомнил, что читал у Джексона что-то похожее на эту тему. Великий Джексон даже подчеркивал, что результат расчета является универсальным и не зависит от деталей процесса.
Адаптация расчета в книге Джексона к нашему случаю не заняла много времени. Самым муторным делом стал пресловутый перевод из одной системы единиц в другую. Результат поначалу получился довольно неожиданным: такого рода событие оказалось вполне возможным в нашем эксперименте с вероятностью наступления порядка нескольких процентов. Наиболее вероятной гипотезой было то, что мы действительно обнаружили наш первый Z0, но это сыграло с нами небольшую шутку. Через несколько дней появилось подтверждение этой вероятности, полученное с помощью методов квантовой теории поля, а затем в течение нескольких последующих месяцев мы наблюдали при эксперименте несколько простых и красивых событий с распадом бозона Z 0. Аналогичное подтверждение пришло и от конкурирующей коллаборации UA1. Наши труды не пропали даром: Нобелевская премия была присуждена руководителям двух экспериментов: Карло Руббиа и Симону
Сам Джексон (умер в 2016 г.) был отличным физиком за пределами своей книги, но он так и не получил Нобелевской премии. И действительно, ничего из того, что он написал, нельзя было отнести к революции в физике. Тем не менее я думаю, что в этой книге проявился гений первоклассного мастера. Уравнения Максвелла — это золото, а Джексон был и остается их лучшим ювелиром.
Глава 9 Эквивалентность материи и энергии
E = mc2
Слева — энергия, справа — масса, умноженная на квадрат скорости света. Это уравнение постулирует эквивалентность между массой и энергией (позднее я постараюсь показать, что именно это означает) и стало одним из первых пробных камней теории относительности Эйнштейна. Теории, совершившей революцию в нашем понимании взаимоотношений материи, пространства и времени.
Между уважением и трепетом
Как случилось, что такое простое уравнение сделалось символом современной физики?
Существуют логические причины: личность первооткрывателя, его научная дальновидность, да и сам смысл теории относительности, произведшей научную революцию.
Однако, помимо столь важных и осязаемых причин, данное уравнение явилось символом нашего понимания возможности высвобождения той грозной энергии, которая проявляется в ядерных реакциях, и оно одним из своих первых практических последствий имело создание атомной бомбы.
Таким образом, E = mc2 наполняет нас уважением, смешанным с благоговением, очень похожим на страх перед божеством, указанным в Ветхом Завете. Контраст с популярным образом добродушного и почти комического Альберта Эйнштейна только усиливает наше чувство тревоги. Как мог этот доброжелательный и шутливый дед стать одним из пророков и апостолов священного огня, предложив немногим избранным владеть оружием, мгновенно испепеляющим миллионы невинных людей[23]?
Странные отношения между пространством и временем
Когда Эйнштейн сформулировал это уравнение в 1905 г., ему было всего 26 лет, и он выглядел простым и вполне симпатичным молодым человеком. Грязные волосы появились только в 1920-х гг., а взгляд «дружелюбного сумасшедшего ученого» — в 1930-х. Но все это еще слишком далеко отстояло от классического равенства: грязные волосы = сумасшедший ученый = непризнанный гений = чудовищные и непредсказуемые последствия.
На заре XX в. в течение более чем 10 лет уже была открыта и сделалась известной радиоактивность; фундамент теории относительности в значительной степени тоже был заложен. Фактически и уравнения Максвелла (см. главу 8) неявно оперировали одним из постулатов теории относительности, а именно тем утверждением, что скорость света в вакууме является постоянной величиной и имеет одно и то же значение независимо от системы отсчета, в которой она измеряется[24]. Теоретик Хендрик Лоренц смог прочесть зашифрованные в уравнениях Максвелла скрытые смыслы и вывести свои формулы, известные как «преобразования Лоренца», выражающие странные отношения между пространством и временем.