Гарретт Лиси - физик и серфер, разработал восьмимерную теорию всего, построенную на алгебре Ли E8. В своем докладе на TED он рассказывает об этом за 15 минут (а в конце - о том, как ему удается быть физиком-серфером). Также популярно объясняет важность бозона Хиггса и его место в теории.
Видео "Теории Всего" с субтитрами (на русском):
Текстовая версия видео:
0:18Йоу, чувак! Зацени эти улетные уравнения! Шикарно! В течение следующих восемнадцати минут я сделаю все возможное, чтобы описать красоту квантовой механики вообще без уравнений. Мы можем узнать много нового, изучая кораллы. Коралл — очень красивое и необычное животное; каждый риф состоит из тысяч отдельных полипов. Полипы постоянно почкуются и ответвляются, в результате у них образуются генетически идентичные соседи. Представим себе, что кораллы умеют мыслить, и мы можем поговорить с каждым полипом. Мы бы спросили одного из них, как он оказался на определенном месте относительно своих соседей — был ли это слепой случай, судьба, или что-то еще?
1:05Поругав нас за то, что мы включили отопление, он ответил бы, что наш вопрос совершенно глуп. Видите ли, кораллы довольно грубы, и у меня даже есть шрамы в доказательство этого. Полип объяснил бы нам, что его соседи являются идентичными копиями его самого, и он существует везде, где существуют его соседи, хоть и воспринимает их как отдельную сущность. Для него распочковываться на совершенно идентичные копии — самая естественная в мире вещь.
1:32В отличие от нас, гипотетический разумный коралл очень хорошо подготовлен к осознанию принципов квантовой механики. Математические принципы квантовой механики крайне точно описывают, как работает наша вселенная. Согласно этим принципам, наша действительность постоянно ветвится на различные её варианты, как коралл. Человеку очень сложно понять этот процесс, поскольку мы наблюдаем только один вариант действительности. Впервые странность квантового мира была описана Эрвином Шрёдингером и его кошкой. Кошке больше нравится эта версия. (Смех в зале) В этой модели Шрёдингер находится в ящике с радиоактивной пробой. Согласно законам квантовой механики она одновременно находится в состоянии, в котором она излучает и в состоянии, в котором она не излучает. (Смех в зале) Если проба излучает, то коробка заполняется ядовитым газом и Шрёдингер умирает. В другой ветви реальности ученый остается живым. Каждая из ветвей воспринимается участниками независимо, и они считают, что другой ветви не существует.
2:33Нам кажется это странным, поскольку каждый из нас воспринимает лишь одну из реальностей, а других ее ветвей мы не видим. Как будто каждый из нас, подобно Шрёдингеру, похож на коралл и ветвится на разные варианты реальности.Математические основы квантовой механики показывают, что в микромасштабах наш мир устроен именно так. Можно обобщить все это в одно утверждение: всё, что может произойти, происходит. Вот так работает квантовая механика. Но это не означает, что может произойти вообще все, что угодно. Остальная физика занимается описанием того, что может произойти, и того, что не может. Физикам известно, что любой процесс можно свести к геометрическим построениям и взаимодействию элементарных частиц. Любые процессы могут произойти только если это взаимодействие идеально отлажено.
3:16А теперь я хотел бы рассказать о том, что мы знаем про эти частицы — что они из себя представляют и как сбалансированы. Внутри этой машины пучок протонов и антипротонов ускоряется до скорости, близкой к скорости света. Затем два пучка сталкиваются, что приводит к выбросу энергии. Энергия мгновенно преобразуется в поток субатомных частиц, а специальные датчики и компьютеры затем вычисляют их свойства. Длина контура этого огромного устройства, большого адронного коллайдера, построенного в CERN, в Женеве, составляет двадцать семь километров, а рабочая мощность в пять раз выше, чем у всего Монтерея.Мы не можем точно предсказать,какие именно частицы возникнут в результате каждого столкновения. И хотя принципы квантовой механики утверждают, что всё возможно, физики указывают набор реализуемых частиц. У них должно быть столько же энергии и такая же масса, как у протона и антипротона. Любые частицы, лежащие за этим энергетическим лимитом, не реализуются, и мы не способны их увидеть. Новый ускоритель частиц чрезвычайно интересен,поскольку он увеличит энергетический лимит в семь раз относительно существующего, так что очень скоро мы узнаем о новых частицах.
4:23Однако перед тем как рассказать вам о том, что нам предстоит узнать, я опишу уже известные нам частицы. Тут целый зоопарк субатомных частиц. Каждый знаком с электронами, и многие люди в этом зале зарабатывают неплохие деньги, гоняя их туда-сюда. (Смех в зале) Но у электрона есть нейтральная пара под названием нейтрино — с очень маленькой массой и без заряда. У u- и d-кварков, наоборот, очень большие массы. Они объединяются в тройки и создают протоны и нейтроны внутри атомов. Все эти частицы бывают правовинтовыми и левовинтовыми; у них также есть античастицы с противоположными зарядами.Знакомые нам частицы порождают менее знакомые вторые и третьи поколения, с теми же зарядами, но бóльшими массами. Частицы вещества взаимодействуют с частицами поля. Электромагнитная сила взаимодействует с заряженной материей посредством частиц, называемых фотонами. Также существует слабое взаимодействие, которое называется достаточно тривиально: «слабое взаимодействие». Оно влияет исключительно на левовинтовые частицы. Сильное взаимодействие работает между кварками, которые переносят иной вид заряда, называемый цветовым. Он бывает трех типов: красный, зеленый и синий. За эти названия следует винить Мюррея Гелл-Манна — это он их придумал. Наконец, существуют гравитационные силы, взаимодействующие с веществом через массу и спин.
5:41Самое главное — понять, что существуют разные виды зарядов, связанные с каждой из перечисленных сил. Четыре силы взаимодействуют с веществом в соответствии с типом заряда, который несет каждая из частиц. Есть еще частица, которую никто не наблюдал, но в существовании которой мы уверены. Она называется бозоном Хиггса и придает массы всем остальным частицам.Основной задачей большого адронного коллайдера является обнаружение бозона Хиггса, и мы почти уверены, что он его обнаружит. Главная загадка — что еще мы там увидим, и я расскажу об одной интересной гипотезе до конца своей презентации.
6:16Если мы пересчитаем все различные по спину и заряду частицы, мы получим 226 штук. Немало частиц, и кажется странным, что природа создала такое количество элементарных частиц. Но если мы расположим их в соответствии с зарядами, то можно наблюдать интересные закономерности. Самый знакомый нам заряд — электрический. У электрона есть электрический заряд, минус один, а у кварков он выражается в третьих долях. Таким образом, когда два u-кварка и один d-кварк объединяются и создается протон, его электрический заряд равен плюс единице.У частиц также есть античастицы с противоположными зарядами. Оказывается, что на самом деле электрический заряд является комбинацией двух других типов зарядов: гиперзаряда и слабого заряда. Если мы изобразим гиперзаряд и слабый заряд отдельно, и нарисуем схему зарядов частиц в двумерном пространстве, то изменение электрического заряда будет видно по вертикали. Слабое и электромагнитное взаимодействия действуют на вещество в соответствии с его слабым и гипер- зарядами, которые вы видите на этой диаграмме. Все это называется теорией электрослабого взаимодействия, она была создана в 1967 году.
7:21Из-за бозона Хиггса большинство из нас знает о существовании исключительно электрического заряда. Частица Хиггса, вот она, слева, обладает большой массойи разрушает симметрию нашей диаграммы электрослабости. Бозон Хиггса уменьшает влияние слабого взаимодействия, придавая слабым частицам бóльшую массу. Поскольку на этой диаграмме бозон Хиггса действует по горизонтали, у фотонов не образуется массы и в пространстве зарядов они взаимодействуют с электрическим зарядом по вертикали. Электромагнитная и слабая силы описываются этой картиной зарядов в двумерном пространстве. Мы можем включить сюда сильное взаимодействие, нанеся по этим направлениям два вида зарядов кварков по этим направлениям. Заряды всех известных частиц могут быть изображены в четырехмерном пространстве и спроецированы на плоскость, чтобы мы могли их увидеть.
8:12Когда частицы взаимодействуют, природа балансирует взаимодействие по всем четырем направлениям. Когда сталкиваются частица и античастица, происходит выброс энергии с полным нулевым зарядом по всем четырем направлениям. На этом этапе могут возникать новые частицы с той же энергией и полным нулевым зарядом. Например, могут быть созданы частица со слабым зарядом и вот эта античастица. И дальше все заряды должны сохраняться. Одна из слабых частиц может превратиться в электрон и антинейтрино, что в сумме все равно даст нулевой заряд. В природе все всегда сбалансировано. Таким образом эти картины зарядов не просто красивы, они объясняют, какие взаимодействия могут произойти. Мы можем повернуть картину в четырех измерениях и посмотреть на сильное взаимодействие, тут видно красивые шестиугольники. Во время сильного взаимодействия одна из частиц, например эта, взаимодействует с цветным кварком, например зеленым, сообщая кварку заряд другого цвета — например, красный. Каждую секунду происходят миллионы сильных взаимодействий, в каждом атоме наших тел, не давая ядрам разлететься.
9:24Однако четыре заряда и три силы еще не конец нашего рассказа. Мы можем вспомнить о двух дополнительных зарядах, связанных с гравитационной силой.Теперь у каждой материальной частицы появилось два спина — верхний и нижний. Все частицы разделились, создав красивый узор в шестимерном пространстве зарядов. Мы можем покрутить этот узор в шести измерениях, это довольно красиво. Сейчас этот узор отражает наше представление о том, как работает природа в масштабах этих элементарных частиц. Это мы знаем наверняка. Некоторые из этих частиц находятся на пределе того, что мы можем определить экспериментально. Благодаря этому узору, мы знаем физикуэлементарных частиц в микромире. Природа очень красиво работает на этих масштабах.
10:14Однако я хочу поговорить о некоторых старых и новых теориях относительно того, чего мы еще не знаем. Мы хотим расширить узор, используя исключительно математику, и посмотреть, не удастся ли нам воссоздать полную картину. Мы хотим найти все частицы и силы, формирующие нашу вселенную. Мы также хотим, чтобы узор предсказал те частицы, которые мы увидим при экспериментах на высоких энергиях.
10:36Одна из более старых теорий утверждает, что этот не слишком симметричный набор частиц мог возникнуть из более стройного набора, разрушенного чем-то,как бозон Хиггса разрушает модель электрослабости, что дает нам электромагнитные силы. Для этого придется ввести новые силы с новыми направлениями заряда. Когда мы вводим новое направление, нам нужно угадать,какие заряды будут у частиц по этому направлению, и тогда мы сможем вращать их вместе с остальными. Если мы будем угадывать умно, то сможем построить стандартные заряды по шести направлениям как нарушение более красивого узора по семи направлениям заряда.
11:15Этот выбор значений соответствует модели великого объединения,предложенной Пати и Саламом в 1973 году. Когда мы смотрим на новый узор, то видно пару пробелов, где нет частиц. Так работают теории объединения. Физики ищут более широкие и симметричные узоры, в которые нынешний узор входит в качестве подмножества. Бóльший узор помогает предсказать существованиечастиц, которых никто не видел. Модель объединения предсказывает существование вот этих частиц, которые должны работать как слабое взаимодействие, только слабее.
11:51Теперь мы можем вращать этот набор зарядов в семи направлениях и подумать о странном факте относительно частиц вещества: их второе и третье поколенияобладают теми же зарядами в шестимерном пространстве, что и первое. Эти частицы неоднозначно определяются шестью зарядами. Они сидят одна на другой в стандартном пространстве зарядов. Но если бы мы работали в восьмимерном пространстве, мы могли бы назначить уникальный тип заряда каждый из них. Теперь мы можем повращать узор в восьми измерениях и посмотреть, как выглядит все вместе. Теперь мы видим, что второе и третье поколения относятся к первому тройственно симметрично.
12:35Такая картина заряда в восьми измерениях является частью одной из самых красивых геометрических структур в математике. Это схема самой большой группы Ли — Е8. Эта группа Ли представляет собой гладкую фигуру в 248 измерениях. Каждая точка в узоре соответствует типу симметрии
Комментарии | Постоянная ссылка
