Слайд 4
Дальше есть взаимодействия, которые принято называть слабыми. Когда их открыли, они были слабыми. Но, скажем, на большом адронном коллайдере, который сейчас запущен в Женеве, они уже становятся довольно сильными. Но по традиции их называют слабыми, и у них очень маленький радиус действия, они действуют в очень маленьком пределе даже в масштабе элементарных частиц. Так что слабые взаимодействия очень короткодействующие, но они важны: из-за них происходит радиоактивные распады, а главное, слабое взаимодействие участвует в энергетике звёзд. Это уже серьёзно. Короче говоря, без слабых взаимодействий нас бы не было.
Дальше есть электромагнитные взаимодействия, которые даны нам в ощущениях, особенно если засунуть два пальца в розетку, но для меня сейчас важно, что закон взаимодействия очень похож на закон Ньютона. Только здесь он называется законом Кулона, и сила пропорциональна не массам, а зарядам, но сила тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния, и тоже переносчиком является безмассовая частица, в данном случае фотон. То есть фотон с одной стороны попадает нам в глаз из лампочки, а с другой стороны тот же самый фотон в другой несколько ипостаси связывает за счёт закона Кулона все атомы, все молекулы, белки и так далее.
И, наконец, и для меня лично самые интересные, так называемые сильные взаимодействия, они же “цветные”. Они ответственны за слипание кварков внутри протонов и нейтронов. Про них, в основном, я и буду говорить. Тут переносчиком являются аналоги фотона, они называются глюоны, от слова “glue” — клей. И понятно, почему такое слово придумано — потому что эти глюоны, а их восемь штук, склеивают кварки внутри протона.
Теперь я хочу вас погрузить в глубокую мысль. Посмотрите на слайд 5. Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, а ей хоть бы хны. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой — за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, говорят, что сам электрический потенциал не имеет физического смысла, он, как мы любим говорить, не наблюдаем. Физики любят наблюдаемые вещи и не любят философию. Есть более точное высказывание, что наблюдаема напряжённость электрического поля. Напряжённость — кто знает — это градиент потенциала. Иначе говоря, скорость изменения потенциала по оси x, y, z — это и называется градиент, и напряжённость электрического поля — это есть изменение потенциала. Не сам потенциал, а изменение потенциала. И оно является наблюдаемым.
Слайд 5
Этот принцип — что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени — был открыт еще в ХIХ веке. А в квантовой теории в современном виде это было сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком в 1926 году, который основал кафедру теоретической физики в Петербурге, которую я заканчивал, правда, несколько позже. Он понял, что есть такой принцип в природе, который он назвал “градиентной инвариантностью”. В книге Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку “градиентная инвариантность”. Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие называется “gauge invariance”, по-русски переводится как “калибровочная инвариантность”. “Gauge” — слово не очень употребительное даже в английском языке, мы переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом gauge обозначалось расстояние между рельсами. Была узкая колея, была широкая колея — это называлось “gauge”. И почему-то это слово про рельсы оказалось абсолютно кардинальным для понимания фундаментальных взаимодействий.
Оказывается, что если богу понравится некая идея, он её употребляет повсюду. Я говорю “бог” без большого глубокомыслия, просто для краткости речи. Я это подмечал много раз. Вот вы встречаете в какой-то области науки некий механизм, что как-то там устроено, а потом оказывается, что ровно то же самое сконструировано в другой области науки, которая описывает совсем другие явления. Видно, что он экономил и не вводил новых сущностей без крайней надобности.
На этой идее, которая более или менее запечатлена в виде летающих вокруг провода птичек на слайде 5, устроены все четыре фундаментальных взаимодействия. Например, я говорю про “цвет” кварков, то есть имеется некая характеристика, принимающая три значения. Условно будем говорить красный, синий, зеленый. Так вот сам “цвет” кварка, так же как сам потенциал, физического значения не имеет, и он не наблюдаем. Наблюдаемо только изменение “цвета” от точки к точке. Эти слова имеют чёткое математическое воплощение, которое однозначно фиксирует, как конкретно кварки взаимодействуют с глюонами, а те между собой. Идея “калибровочной инвариантности” абсолютно жёстко, без всякой свободы для творчества, определяет эти взаимодействия, и именно эта наука называется квантовая хромодинамика.
Я начал свой список с гравитационного взаимодействия. Оказывается, что оно тоже построено на принципе калибровочной инвариантности, только там независимость не от “цвета”, не от потенциала, а от чего-то другого. Попробую объяснить, от чего. Есть плоское пространство, вот перед ведущим поверхность стола почти плоская, и мы можем нанести координатную сетку на поверхность — см. слайд 6.