Сильное взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие, или цветовое взаимодействие, связывает кварки и глюоны внутри адронов и описывается квантовой хромодинамикой. Взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра (также называемое сильным ядерным взаимодействием), считается "пережитком" цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов. См. Цветовое взаимодействие.
Синхротрон. Тип ускорителя частиц, в котором электрическое поле используется для разгона частиц, а магнитное для направления их по кольцу, при этом они тщательно синхронизируются с пучком частиц.
Слабое ядерное взаимодействие. Данный тип взаимодействия называется слабым потому, что оно существенно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Слабое взаимодействие влияет на кварки и лептоны и может менять аромат кварков и лептонов, например превратить верхний кварк в нижний и электрон в электронное нейтрино. Впервые было установлено, что слабое взаимодействие является фундаментальным, на основании исследований бета-радиоактивного распада. Переносчики слабого взаимодействия – частицы W и Z. Слабое взаимодействие объединено с электромагнитным в квантовой теории поля SU(2) × U(1) для электрослабого взаимодействия Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1967–1968 годах.
Слабый нейтральный ток. Слабое взаимодействие с обменом виртуальным Z -бозоном или сочетанием виртуальных W+ и W частиц (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).
Специальная теория относительности. Разработанная Эйнштейном в 1905 году, специальная теория относительности утверждает, что все движение относительно и не существует единой или главной системы отсчета, относительно которой можно измерить движение. Все инерциальные системы отсчета эквивалентны – наблюдатель, неподвижно находящийся на Земле, получит такие же результаты таких же физических измерений, как и наблюдатель, движущийся с равномерной скоростью в космическом корабле. Теория положила конец классическим понятиям абсолютного пространства и времени, абсолютного покоя и одновременности. Формулируя теорию, Эйнштейн исходил из того, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Теория называется специальной в том смысле, что она не объясняет движения с ускорением; движение с ускорением учитывается в Общей теории относительности.
Спин. Свойство всех элементарных частиц, вид момента импульса. Хотя сначала спин электрона понимался как его "самовращение" (вращение электрона вокруг своей оси, вроде волчка), спин представляет собой релятивистский феномен и не имеет аналога в классической физике. Частицы характеризуются спиновыми квантовыми числами. Частицы с полуцелым спином называются фермионами. Частицы с целым спином называются бозонами. Частицы материи – фермионы. Частицы взаимодействий – бозоны.
ССК. Сокращение от сверхпроводящий суперколлайдер, проект строительства крупнейшего в мире ускорителя частиц в Ваксахачи, округ Эллис, Техас. Предполагалось, что ССК сможет достигнуть энергии протон-протонных столкновений 40 ТэВ. Проект закрыт конгрессом США в октябре 1993 года.
Стандартная модель в космологии. См. Лямбда-CDM.
Стандартная модель в физике элементарных частиц. Принятая в современной физике теоретическая модель, описывающая частицы материи и их взаимодействия между собой, за исключением гравитации. Стандартная модель состоит из квантовых теорий поля с локальными симметриями SU(3) (цветовое взаимодействие) и SU(2) × U(1) (слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие). В Стандартную модель входят три поколения кварков и лептонов, фотон, W– и Z-частицы, глюоны – переносчики цветового взаимодействия и бозон Хиггса.
Степень свободы. Количество измерений, доступных для системы или в которых система свободно движется. Классическая частица может свободно двигаться в трех пространственных измерениях. Однако фотоны, будучи безмассовыми частицами со спином 1, ограничены лишь двумя измерениями, которые проявляются в виде левой и правой круговой поляризации или вертикальной и горизонтальной поляризации. В механизме Хиггса безмассовые бозоны получают третью степень свободы, поглощая бозон Намбу – Голдстоуна (см. рис. 14, с. 100).
Странность. Характерное свойство таких частиц, как нейтральные лямбда-частицы, нейтральные и заряженные сигма– и кси-частицы и каоны. Марри Гелл-Манн и Юваль Неэман использовали странность наряду с электрическим зарядом и изоспином для классификации частиц согласно восьмеричному пути (см. рис. 10, с. 82). Позднее это свойство было объяснено присутствием в этих частицах странного кварка (см. рис. 12, с. 95).
Странный кварк. Кварк второго поколения с зарядом - / 3 , спином / 2 (фермион) и массой 101 МэВ. Странность как характеристика относительно низкоэнергетических (низкомассовых) частиц была открыта в 1940 и 1950 годах Марри Гелл-Манном и независимо Кадзухико Нисидзимой и Тадао Накано. Позднее Гелл-Манн и Джордж Цвейг объяснили странность частиц присутствием в них странного кварка (см. рис. 12, с. 95).
Суперсимметрия. Альтернатива Стандартной модели физики элементарных частиц, в которой асимметрия между частицами материи (фермионами) и силы (бозонами) объясняется на основании нарушенной суперсимметрии. При высоких энергиях (например, таких, какие преобладали на самых ранних этапах после Большого взрыва) суперсимметрия не нарушена, то есть существует идеальная симметрия между фермионами и бозонами. Кроме асимметрии между фермионами и бозонами, нарушенная суперсимметрия предсказывает класс массивных суперпартнеров со спинами, отличающимися на / 2 . Суперсимметричные партнеры фермионов называются сфермионами. Партнер электрона называется сэлектроном; каждый кварк имеет партнера в виде соответствующего скварка. У каждого бозона есть бозино. Суперсимметричные партнеры фотона, W– и Z– частиц и глюонов – это фотино, вино, зино и глюино. Суперсимметрия решает многие проблемы Стандартной модели, но данные в пользу существования суперпартнеров еще не найдены.
Темная материя. Открытая в 1934 году швейцарским астрономом Фрицем Цвикки как аномалия при измерении масс галактик в скоплении Волос Вероники (в созвездии Волосы Вероники). Он сравнил массы, полученные на основе наблюдаемых движений галактик у края скопления, и массы на основе количества наблюдаемых галактик и общей яркости скопления. Результаты отличались в 400 раз. Казалось, целых 90 процентов массы, необходимой, чтобы объяснить гравитационные эффекты, отсутствовали или не поддавались наблюдению. Эта отсутствующая масса получила название темной материи. Дальнейшие исследования свидетельствуют в пользу формы темной материи, которую называют холодной темной материей. См. Холодная темная материя.
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 – x /3! + x /5! – x /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, 10 эВ или 1000 ГэВ.
Триллион. Тысяча миллиардов или миллион миллионов, 10 или 1 000 000 000 000.
Фермион. Назван в честь итальянского физика Энрико Ферми. У фермионов полуцелые спины ( / 2 , /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 ΛCDM. 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 Européen pour la Recherche Nucléaire (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 / 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 по 10 секунд после Большого взрыва. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории поля SU(2) × 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.
Cashmore R. Maiani, Luciano, and Revol, Jean-Pierre (eds.). Prestigious Discoveries at CERN. Berlin: Springer, 2004.
Crease R.P., Mann Ch.C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Rutgers University Press, 1986.
Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge University Press, 1984.
Enz Ch.P. No Time to be Brief: a Scientific Biography of Wolfgang Pauli. Oxford University Press, 2002.
Evans L. (ed.). The Large Madron Collider: A Marvel of Technology. CRC Press London, 2009.
Farmelo G. (ed.). It Must be Beautiful: Great Equations of Modern Science. London: Granta Books, 2002.
Feynman R.P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. London: Penguin, 1985.
Gell-Mann M. The Quark and the Jaguar. London: Little, Brown & Co., 1994.
Gleick J. Genius: Richard Feynman and Modern Physics. London: Little, Brown & Co., 1992.
Greene B. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory. London: Vintage Books, 2000.
Greene B. The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality. London: Allen Lane, 2004.
Gribbin J. Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z. London: Weidenfeld & Nicholson, 1998.
Guth A.H. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. London: Vintage, 1998.
Halpern P. Collider: The Search for the World’s Smallest Particles. New Jersey: John Wiley, 2009.
Hoddeson L., Brown L., Riordan M., Dresden M. The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s. Cambridge University Press, 1997.
Johnson G. Strange Beauty: Murray Gell-Mann and the Revolution in Twentieth-Century Physics. London: Vintage, 2001.
Kane G. Supersymmetry: Unveiling the Ultimate Laws of the Universe. Cambridge, MA: Perseus Books, 2000.
Kragh H. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press, 1999.
Lederman L. (with Dick Teresi). The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? London: Bantam Press, 1993.
Mehra J. The Beat of a Different Drum: The Life and Science of Richard Feynman. Oxford University Press, 1994.
Nambu Y. Quarks. Singapore: World Scientific, 1981.
Pais A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, 1982.
Pais A. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford University Press, 1986.
Pickering A. Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics, University of Chicago Press, 1984.
Riordan M. The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics. New York: Simon & Shuster, 1987.
Sambursky S. The Physical World of the Greeks, 2nd Ed. London: Routledge & Kegan Paul, 1963.
Sample I. Massive: The Hunt for the God Particle. London: Virgin Books, 2010.
Schweber S.S. QED and the Men Who Made It: Dyson, Feynman, Schwinger, Tomonaga. Princeton University Press, 1994.
Stachel J. (ed.). Einstein’s Miraculous Year: Five Papers that Changed the Face of Physics. Princeton University Press, 2005.
’ t Hooft G. In Search of the Ultimate Building Blocks. Cambridge University Press, 1997.
Veltman M. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. London: World Scientific, 2003.
Weinberg S. Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature. London: Vintage, 1993.
Weyl H. Symmetry. Princeton University Press, 1952.