75
5
МАЙ 2009
В прошлом многие великие ученые,
такие как Ньютон и Эйлер, Лагранж
и Гамильтон, не только ставили и объ-
ясняли эксперименты, но и разраба-
тывали математический аппарат для
их описания. Природа подсказывала
им все новые логические конструкции,
которые могли бы стать своеобраз-
ным каркасом для различных теорий.
Именно благодаря формулам, кото-
рые они писали, физика приобретала
истинную силу, ведь общие рассуж-
дения с помощью вычислений можно
было применить на практике.
Таким образом, чтобы построить
какую-нибудь физическую теорию, нам
нужна подходящая математическая
форма. Уже упоминавшиеся Лагранж
и Гамильтон придумали в свое время
чрезвычайно общий и довольно удоб-
ный способ представления любых
физических систем, которым до сих
пор пользуются ученые во всех облас-
тях — от общей теории относитель-
ности до квантовой электродинамики.
Их подход основан на том, что любую
физическую систему можно описать ее
кинетической и потенциальной энер-
гией — из комбинации этих энергий
Лагранж и Гамильтон предложили
составить специальные функции,
которые мы называем сегодня лагран-
жианом и гамильтонианом. Из них мы
можем получить дифференциальные
уравнения, решив которые найдем
законы движения системы. Эти функ-
ции эквивалентны, поэтому, если у нас
есть хоть одна из них, мы можем полу-
чить основные сведения о свойствах
и особенностях системы.
Именно в написании лагранжиана
для каждого конкретного случая и со-
стоит основная работа физиков-тео-
ретиков. Им нужно создать функцию,
которая будет удовлетворять некото-
рым условиям (их обычно формулиру-
ют исходя из здравого смысла), кроме
того, она должна поддаваться физичес-
кой интерпретации. Каждое слагаемое,
входящее в состав лагранжиана, имеет
определенный смысл: оно может опи-
сывать частицу или поле или взаимо-
действие каких-то частиц или полей.
Таким образом математика неразрыв-
но связана с реальностью: если в нашей
функции после преобразований объ-
явилось что-то новенькое, значит, пора
поискать это что-то на опыте. Хорошая
Жозеф Луи Лагранж
теория помимо аккуратного объяс-
нения уже открытых явлений может
предсказать новые эффекты, которые
только потом будут открыты на экс-
перименте. Например, на основании
математических построений Вольфганг
Паули предсказал существование
нейтрино еще в 1930 году, а экспери-
ментально эту частицу открыли только
четверть века спустя.
Когда хорошо работающая, неод-
нократно подтвержденная теория
вдруг сталкивается с трудностями,
ученые не торопятся выбрасывать ее
на математическую свалку. Сначала
они пытаются ее переработать и улуч-
шить и только потом, если ничего
не помогает, берутся за разработку
новых моделей. Зачастую в процессе
работы оказывается, что математика,
которую пытались применять в дан-
ном случае, не совсем подходит для
описания системы. Подыскав новую,
более подходящую математическую
форму, физики подлатывают свою
модель, и та снова становится рабо-
тоспособной.
РАЗБЕГАЮЩИЕСЯ ИНТЕГРАЛЫ
Так произошло и в теории слабого
взаимодействия (той самой теории, из
которой и появился наш загадочный
бозон): долгое время ее математичес-
кую форму модернизировали и совер-
шенствовали, вводя все новые абстрак-
ции, прежде чем она стала пригодной
для описания физики.
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Б о з о н ( о т ф а м и л и и ф и з и к а
Б о з е ) — частица [квазичастица] с це-
лым значением спина. Спин (англ,
spin — «вертеть (ся)») — собствен-
ный момент импульса элементарных
частиц. Бозоны подчиняются ста-
тистике Бозе — Эйнштейна, которая
допускает, чтобы в одном квантовом
состоянии могло находиться неогра-
ниченное количество одинаковых
частиц. К бозонам относятся: гипо-
тетический гравитон, фотон, мезоны
и мезонные резонансы, а также анти-
частицы всех перечисленных частиц
и даже фононы (определение из
учебника физики). Бозон, предска-
занный в 1960 году Питером Хиггсом,
уникален тем, что должен иметь
нулевой спин.
С л а б о е в з а и м о д е й с т в и е ( с л а б ы е
с и л ы ) — один из четырех видов вза-
имодействия. Процессы, протекаю-
щие за счет этого взаимодействия,
происходят очень редко, с малой
вероятностью, поэтому его назвали
слабым. Тем не менее в нем участ-
вуют все частицы без исключения
и оно отвечает за большое число
известных сегодня ядерно-физичес-
ких процессов: за ядерный бета-рас-
пад, многие распады элементарных
частиц, нейтринные реакции. Стоит
упомянуть и о том, что процессы
ядерного синтеза на солнце проис-
ходят за счет слабого взаимодейс-
твия.
Г и г а э л е к т р о н в о л ь т (Г э В ) — рас-
пространенная в ускорительной
и ядерной физике единица изме-
рения энергии и массы (согласно
широко известной формуле Е = т с 2
массу объекта можно отождествлять
с энергией, что и делают ученые-
элементарщики, им так проще]. Один
ГэВ равен 109 электронвольт. В свою
очередь электронвольт взялся пря-
миком из ускорительной физики.
Как известно, заряженные частицы
ускоряют в электрическом поле. Так
вот, энергию в один электронвольт
приобретает электрон, прошедший
сквозь поле с напряженностью
в один вольт.
предыдущая страница 69 Что нового в науке и технике 2009 5 читать онлайн следующая страница 71 Что нового в науке и технике 2009 5 читать онлайн Домой Выключить/включить текст