Так из чего всё-таки складывается спин протона?

Рис. 1. Схематичное изображение того, откуда может браться спин протона с точки зрения разных систем отсчета

Рис. 1. Схематичное изображение того, откуда может браться спин протона с точки зрения разных систем отсчета. Слева: в неподвижном протоне всё получается из спина трех кварков; в быстро летящем протоне влиять могут спины и орбитальные угловые моменты кварков и глюонов. Но как их правильно скомбинировать друг с другом? И насколько осмысленными вообще являются эти величины? Изображение из статьи arXiv:1212.1701

Из чего складывается спин протона? Теоретическое обсуждение этого вопроса сопровождалось последние несколько лет нешуточными страстями, причем касалась полемика не столько ответа, сколько смысла этого вопроса. Вышедший на днях обзор попытался навести порядок в этой неразберихе.

Как уже подчеркивалось на «Элементах» (см. Детектор ALICE изучает тонкие эффекты в рождении адронов, 02.08.2013), в современной физике элементарных частиц есть разные типы трудных вопросов. Обычно внимание публики приковано к поиску новых частиц или экзотических явлений, но для самих физиков не менее интересными и трудными являются вопросы о сложном устройстве некоторых обычных частиц, например, протонов. Главная проблема тут заключается не в том, из чего протоны состоят, а в том, как наблюдаемые характеристики протонов возникают из свойств составляющих его частиц.

Разговор о строении протона включает в себя много отдельных вопросов, каждый из которых сам по себе сложен. Этот рассказ посвящен одному из них — вопросу о том, как возникает спин протона. На первый взгляд, ситуация здесь похожа на большинство других вопросов в физике элементарных частиц: есть много экспериментальных данных, есть много теоретических работ, есть какие-то спорные моменты или необъясненные пока данные. В общем, этакая рутина в физике частиц. Но не так всё просто.

Лет пять назад теоретики вдруг резко активизировались. Пошла лавина публикаций по этому вопросу, и, в буквальном смысле слова, стали накаляться страсти. Появлялись новые статьи, комментарии к статьям, возражения к комментариям, опровержения возражений к комментариям и так далее. И вот что интересно: причиной такого всплеска стали вовсе не новые экспериментальные данные (это было бы понятно), а именно теоретические статьи! Вдруг оказалось, что некий нерешенный вопрос, над которым физики давно работали, но саму формулировку которого все они вроде бы хорошо понимали, — вот этот вопрос переворачивается с ног на голову. По сути, физики стали бурно спорить уже не столько о решении, сколько о смысле этого вопроса. И со стороны могло показаться, что с каждой новой статьей, с каждым новым аргументом ситуация эта только запутывается.

На днях в архиве е-принтов появился основательный обзор, в котором сделана попытка привести эту ситуацию в порядок, систематизировать полученные за последние годы результаты и направить этот спор в более конструктивное русло. Заголовок статьи говорит сам за себя: «Полемика вокруг углового момента: о чём же, собственно, спор и имеет ли он значение?»

Конечно, эта тема сложная и сам обзор полон технических деталей. Однако вопрос кажется очень интересным и злободневным, да и сама ситуация, которая сейчас сложилась вокруг него, несколько необычна. Поэтому мы рискнем рассказать о некоторых важных, но не слишком сложных аспектах этой проблемы. Даже если детали окажутся непонятными, этот рассказ можно просто воспринимать как иллюстрацию того, какого типа вопросы иногда обсуждаются в современной физике элементарных частиц.

Загадка протонного спина — стандартная версия


Что значит слово «состоит»?

Жизненный опыт говорит нам, что если сложный материальный объект состоит из более простых, то вот это понятие — «состоит» — является абсолютным, не зависящим от точек зрения или условий наблюдения. То же самое работает и в физике вплоть до отдельных атомов. Например, молекула кислорода O2 состоит из двух атомов — и никакого плюрализма мнений относительно этого факта быть не может. Та же самая абсолютность касается и физических характеристик системы, но с одним маленьким изменением. Скажем, полная энергия этой молекулы складывается из энергий покоя каждого атома и энергии их взаимодействия. И хотя эту энергию взаимодействия нельзя разбить на две части и отнести каждую половинку к отдельному атому, всё равно можно сказать, что энергия взаимодействия — это «отдельная строчка» в энергетическом балансе молекулы, и ее невозможно спутать с энергией покоя атомов.

Немножко шокирующей новостью после всего этого может стать утверждение, что в физике элементарных частиц понятие «состоит» становится относительным. Состав сложной частицы, оказывается, кардинально зависит от того, из какой системы отсчета мы смотрим на частицу. Самый подходящий для нас пример — протон. Если мы смотрим на протон из его системы покоя, то можно сказать, что он состоит из трех кварков, которые скреплены сильным взаимодействием. Многие физические характеристики протона и других адронов получаются путем простого комбинирования характеристик кварков, иногда с добавлением скрепляющего их силового поля.

Но если на тот же протон взглянуть из системы отсчета, где он движется со скоростью, очень близкой к скорости света, то он уже будет казаться состоящим вовсе не из трех кварков, а из большого числа кварков, антикварков и глюонов, летящих рядом (рис. 2). Сколько их — сказать нельзя, как минимум потому что это число не фиксировано, а зависит от системы отсчета наблюдателя. Заметьте, мы с самим протоном ничего не делаем, он остается тем же самым объектом, что и раньше. Мы просто смотрим на него по-другому, из другой системы отсчета.

Рис. 2. Схематичное изображение протона в разных системах отсчета

Рис. 2. Схематичное изображение протона в разных системах отсчета. Медленно движущийся протон  (а) можно представлять в виде трех кварков (сплошные линии), которые связаны друг с другом глюонами (штриховые линии). В быстро движущемся протоне (б) глюоны уже иногда летят рядом с кварками. При скорости протона, очень близкой к скорости света (в), и глюоны, и порожденные ими кварк-антикварковые пары становятся полноправными составляющими частями протона. Изображение из статьи Многоликий протон

Как такое вообще может быть? Оказывается, это прямое следствие квантовой теории поля — той (единственно работающей пока!) картины квантовых процессов при околосветовых скоростях, которую дает нам современная физика. Силовые поля в ней обеспечиваются обменом частицами — квантами силовых полей. Скажем, электромагнитное взаимодействие получается из-за обмена фотонами, сильное взаимодействие между кварками — из-за обмена глюонами. В системе покоя эти фотоны или глюоны виртуальные, они не могут свободно летать, они не похожи на реальные частицы. Однако в системе отсчета, в которой весь протон пролетает мимо нас с околосветовой скоростью, эти глюоны по своим характеристикам почти не отличаются от частиц материи. И те, и другие являются «комочками полей» разного типа, несущими энергию, импульс и другие характеристики. И те, и другие считаются полноправными составными частями протона. Более развернутый рассказ на эту тему см. в популярной статье Многоликий протон.

Из чего складывается спин протона?

Теперь перейдем непосредственно к спину протона. Протон относится к фермионам, он имеет спин 1/2. Поскольку протон является составной частицей, его спин должен как-то возникать из характеристик составных частей. С неподвижным протоном всё просто: три кварка, тоже со спинами Sq = 1/2, но направленными в разные стороны, складываются так, чтобы их спины частично компенсировались и в сумме получилось снова 1/2 (см. рис. 1, слева). В принципе, кварки могли бы двигаться внутри протона, как это делают многие электроны в атоме, и тогда появился бы новый источник для протонного спина — орбитальный угловой момент Lq. Но, к счастью, для покоящегося протона всё просто: орбитальный угловой момент кварков равен нулю.

Очень хорошо. А как обстоит дело с быстро летящим протоном? Помня про то, что силовое глюонное поле теперь является полноправной частью протона, надо честно сказать, что спин протона должен складываться из всех возможных источников (рис. 1, справа). Теперь и кварки, и глюоны могут давать вклад в спин поляризованного протона, причем как за счет своего собственного, «личного» спина, (Sq и Sg), так и за счет возможного орбитального углового момента (Lq и Lg):

Sq + Lq + Sg + Lg = 1/2

И вот вокруг этого простого разложения уже 30 лет ведутся ожесточенные бои!

В чём тут, собственно, проблема? Сначала надо упомянуть одну важную тонкость. Выше уже было сказано, что кварков и глюонов в протоне очень много; все они несут разные доли полного импульса протона и ориентированы немножко по-разному (см. рис. 1, справа). Поэтому величина Sq в написанном выше выражении — это вовсе не спин одного кварка, а усредненное значение этого спина по всем кваркам. Аналогично и для других величин: все они представляют собой не характеристики отдельных частиц, а их усредненные значения. Кроме того, написанная выше формула относится не к полным векторам спина или орбитального момента, а к их проекциям на ось движения протона (именно поэтому все стрелочки на рис. 1 направлены в одну сторону, они показывают проекцию).

Кажется вполне естественным, что средний спин кварков всё равно получится близким к 1/2, также как и для покоящегося протона. Всё-таки мы сам протон не трогаем, мы просто переходим из одной системы отсчета в другую. Поэтому первоначальное ожидание физиков было простое: в написанной выше формуле почти вся половинка происходит из величины Sq, а остальные слагаемые будут если и не нулевые, то довольно маленькие.

Экспериментальные данные

А теперь — экспериментальные данные. Спин протона мы можем измерить напрямую, но как измерить спины или орбитальный момент кварков или глюонов по отдельности? Это очень непростая задача, ведь свойства кварков и глюонов можно почувствовать только косвенно, по характеристикам процесса столкновения протонов друг с другом или с электронами. В 1988 году коллаборация EMC в ЦЕРНе провела измерения некоторой спиновой характеристики мюон-протонного рассеяния и извлекла из них средний спин кварков в протоне. Он оказался намного меньше 1/2. Более того, первоначальные данные EMC вообще допускали нулевой вклад, что кардинально противоречило первоначальным ожиданиям. Эти результаты были сразу объявлены революционными, и началась эпопея под названием «кризис протонного спина» (proton spin crisis).

Теоретики бросились вычислять в рамках различных моделей протона вклады других слагаемых. Экспериментаторы бросились перемерять результаты EMC на своих установках, а заодно пытались придумать способы измерить и другие вклады. В том же ЦЕРНе был построен и запущен эксперимент COMPASS, одной из главных целей которого было измерение вклада глюонного спина, Sg. Аналогичные научные задачи ставились и решались в других научных лабораториях по физике частиц. В общем, спиновая физика адронов резко активизировалась.

Пропуская все промежуточные результаты, сформулируем нынешнюю ситуацию с этими экспериментальными данными: (1) подтверждено, что вклад спина кварков Sq мал, и по новым данным он составляет примерно треть от спина протона; получается, что две трети протонного спина «где-то прячутся»; (2) обнаружено, что вклад спина глюонов Sg тоже невелик; погрешности там остаются большими, но уже ясно, что списать «потерянный протонный спин» на него не получится; (3) надежных измерений орбитального момента кварков или глюонов пока нет. Таким образом, в настоящий момент нельзя сказать, что найдено какое-то общепринятое решение спинового кризиса, и вряд ли его удастся найти без спиновых экспериментов нового поколения.

Загадка протонного спина — версия современной теории

А теперь — немножко неожиданный поворот событий. Жаркие баталии физиков по этому поводу по-прежнему продолжаются, но сейчас их тон полностью переменился. Главный вопрос, вокруг которого эти битвы идут уже несколько лет, таков:

А какой вообще смысл у написанной выше формулы?

Как-то неожиданно оказалось, что у этого простого вопроса есть несколько уровней разговора. Возникло множество предметов спора и множество непримиримых точек зрения. Изначально считалось, что это разложение спина протона существует и что оно единственно. Потом — что их два. Потом — что их много. Потом — что их бесконечно много. А поскольку они неэквивалентны, возник спор, какое разложение отвечает физической истине. А если оказывается, что истинными является не одно, а несколько, то какое из них более физично. Ну а в таком случае надо определить, что вообще должно считаться критерием истинности или физичности — и по этому поводу тоже разгорелись баталии.

Вот такой тугой клубок вопросов стал вдруг предметом сотен теоретических публикаций. В результате сейчас большинство физиков, работающих над этим вопросом, разошлись на несколько враждующих лагерей. Каждый лагерь выискивает недостатки в чужой точке зрения и старается привести новые доказательства в пользу своей. А растерявшиеся экспериментаторы неожиданно оказались вообще как бы в стороне.

Главная цель появившегося на днях обзора — внести порядок в эту хаотичную битву точек зрения. Да, его авторы тоже активные участники этих битв и тоже относятся к одному из лагерей. Но они в своей работе постарались максимально дотошно сравнить различные подходы, постарались отделить требования физичности или математической самосогласованности от чистой интерпретации, попытались навести мосты и очертить четкие различия между разными точками зрения. Возможно, и по поводу этого обзора будут ломаться копья, но он, по крайней мере, хорошо систематизирует сложивший на сегодня разнобой.

О чём, собственно, спор?

Пытаться адекватно описать все тонкости разделения протонного спина на отдельные составляющие — задача, видимо, неподъемная для научно-популярной новости. Тем не менее можно дать хотя бы поверхностное представление о том, о чём идет полемика. Для этого попробуем упомянуть некоторые спорные моменты, причем далеко не самые сложные из них. Но прежде — одно маленькое, но существенное отступление.

Дисклеймер для ищущих «физическую правду»

Среди любителей физики — и особенно любителей, опровергающих современную физику, — распространена точка зрения, что физика-де оперирует какими-то заумными математическими понятиями, полностью оторвалась от реальности, и поэтому она бессмысленна и нефизична. Эта точка зрения наивна. Задача теоретической физики — строить теории, которые, во-первых, самосогласованны математически, во-вторых, позволяют вычислять реально наблюдаемые величины и не противоречат уже полученным надежным экспериментальным данным, и в-третьих, имеют предсказательную силу. При этом теориям разрешается на промежуточном этапе использовать «странные» математически объекты типа комплексных чисел, абстрактных пространств или сложных алгебраических понятий. Главное, чтобы результаты для измеряемых величин у реальных физических объектов были нормальными числами.

Теперь, наконец-то, поговорим про предмет спора.

Два разных импульса

Тонкости начинаются уже при разговоре об обычном (линейном) импульсе, а не о вращательном моменте импульса. В школьной механике импульс тела определяется просто: масса умножить на скорость. Однако в «серьезной» физике есть два импульса — кинетический и канонический. Они совпадают в школьной механике, но отличаются в чуть более сложных ситуациях, например при движении зарядов во внешнем электромагнитном поле. И тот, и другой — это полноценные физические величины, но только они входят в разные формулы и подчиняются разным законам. С этим вопросов нет; но спор может начаться, если пытаться понять, какой из них «более настоящий». В квантовой теории поля это неизбежно приводит к вопросу, что такое вообще импульс (а точнее, оператор импульса) и какие на него налагаются требования. Те же вопросы возникают и для момента импульса.

Авторы обзора показывают, что расхождение между «лагерями» состоит как раз в том, что некоторые используют кинетический момент импульса, а некоторые — канонический. Сами они предлагают свои четкие критерии физичности, и по ним выходит, что «более настоящим» является канонический. Авторы допускают, что некоторые экспериментальные результаты проще интерпретировать в терминах кинетического момента импульса, но тогда надо быть аккуратным в разложении спина протона.

Как разделять части взаимодействующей системы

Другая важная тонкость возникает из-за того, что кварки и глюоны в протоне взаимодействуют. Наш разговор про неабсолютность понятия «состоит» наводит на мысль, что само по себе разделение протонного спина на долю кварков и долю глюонов не является абсолютно четким. И действительно, если сравнивать формулы этого разделения для разных авторов, то получается, например, что одни и те же слагаемые у одних относятся к Lq, а у других — к Lg (рис. 3).

Рис. 3. Схематичное изображение того, как разные слагаемые в формуле для полного спина выглядят в подходах разных авторов

Рис. 3. Схематичное изображение того, как разные слагаемые в формуле для полного спина выглядят в подходах разных авторов. Для простоты здесь взят пример электродинамики (то есть электроны и фотоны), а не сильного взаимодействия (кварки и глюоны). Видно, что иногда полный момент импульса J разделяется на спин S и орбитальный угловой момент L, а иногда нет. Кроме того, есть слагаемые, которые в зависимости от точки зрения можно относить либо к электрону, либо к фотону. Изображение из обсуждаемой статьи

Тут полезно привести один пример, в котором перекликаются сразу две обсуждаемые тонкости. Это спор между двумя крупными физиками, Г. Минковским и М. Абрагамом, о том, чему же равен импульс фотона, который движется внутри прозрачной среды (см., например, статью в УФН 1973 года). Эта старая загадка возникла в электродинамике свыше века назад и была разрешена (и по-видимому, удовлетворительно) только недавно. Есть две формулы, каждая из которых выглядит логично, но которые приводят к разным ответам. Есть экспериментальные результаты, которые можно интерпретировать в пользу обеих формул. К математике претензий нет, спор только о том, какая отвечает «настоящему» импульсу фотона в среде. Но если фотон движется внутри среды, то он меняет ее свойства, возникает взаимодействие среды и фотона, и вот с этим взаимодействием надо что-то делать. К чему его относить, на чей импульс оно влияет — среды или фотона? В статье 2010 года показано, что два импульса отличаются как раз этой договоренностью. Более того, там же объяснено, что два выражения для импульса фотона в среде отличаются друг от друга как кинетический и канонический импульсы. Хотя справедливости ради надо сказать, что подобные точки зрения звучали и раньше (см., например, обзор 2007 года).

Видимо, в разложении протонного спина на составные части возникает нечто похожее. Правда несколько удивительно то, что ни авторы обсуждаемого здесь обзора, ни другие участники спора про спин протона не обращаются к этому примеру.

Калибровочная (не)инвариантность

Еще один предмет спора касается калибровочной инвариантности операторов момента импульса (чуть подробнее про калибровочную симметрию см., например, в статьях Большие калибры физики и Что такое цветовой заряд, или какие силы связывают кварки). В квантовой теории есть два «уровня» разговора — уровень операторов и уровень наблюдаемых величин. Сама теория строится с помощью сложных математических объектов — линейных операторов и пространства, в котором они действуют. Но к эксперименту имеют отношение не непосредственно они, а полученные из них «наблюдаемые» величины. Наблюдаемые величины должны быть физичными, и в частности, калибровочно инвариантными. Но нужно ли требовать того же от операторов? И если требовать, то нужно ли настаивать на инвариантности относительно любых калибровочных преобразований или только некоторых?

Авторы обзора резонно говорят, что нет, строгой калибровочной инвариантности от операторов требовать не нужно. Операторы (или пространства, в которых они действуют), будучи промежуточными математическими объектами теории, могут обладать некоторыми «ненормальными» свойствами; главное, чтобы вычисленные по ним наблюдаемые величины были нормальными. Зато физики из другого «лагеря» считают, что калибровочная инвариантность операторов — это важный критерий физичности формул; именно на основании этого критерия они отдают предпочтение своей формуле для разложения спина протона.

Разделение на спин и орбитальный угловой момент

Еще один момент касается того, разделяется ли полный угловой момент (величина, обозначенная буквой J на рис. 3) на спин и орбитальный угловой момент, и если да, то в каком смысле. С одной стороны, множество учебников по квантовой теории поля утверждает: это разделение векторных операторов невозможно выполнить калибровочно-инвариантным способом. Но в 2008 году была опубликована статья, продемонстрировавшая, по сути, что это утверждение неверно. Ее авторы предложили такое разделение и показали, что оно калибровочно-инвариантно. Получается, что все учебники ошибались?

Вовсе нет, но для этого надо читать мелкий текст. Учебники говорят, что калибровочно-инвариантное разделение спина и орбитального момента невозможно, если требовать, чтобы операторы были локальными. А в предложении 2008 года, как поясняет обзор, это условие нарушено, поэтому никакого противоречия нет. Эта тонкость была не сразу отслежена научным сообществом, поэтому сразу после статьи 2008 года последовали многочисленные публикации всех заинтересованных сторон, и страсти резко накалились. И именно после этой полемики стало понятно, что на самом деле разделение протонного спина можно провести бесконечным числом способов. В обсуждение этого вопроса мы вдаваться уже не будем; желающие могут самостоятельно полистать обзор.

Выводы

Так из чего всё-таки складывается спин протона? Такой простой, казалось бы, вопрос чуть ли не на ровном месте заводит физиков в дебри, полные теоретических тонкостей. Фундаментальная причина проста: в квантовой теории поля вопрос о разложении составной частицы на отдельные части не является четко определенным. И в применении к проблеме разделения спина протона на отдельные слагаемые это свойство приводит к длинному списку спорных моментов.

Насколько важно с научной точки зрения установить, какая из формул более правильна, чем другая? Один из главных выводов обзора заключается в том, что эта неопределенность не так уж и важна. Все формулы (за исключением ошибочных) работают и имеют право на существование. Но какая из них более физична, какая лучше всего отвечает интуитивным представлениям — это уже дело вкуса. Да, они могут приводить к разным ответам, но не надо считать, что это разные ответы для одной и той же величины. Это разные ответы для разных наблюдаемых величин, только, к сожалению, многие называют эти разные величины одинаковыми словами. Вот этого авторы обзора предлагают не делать.

А как тогда быть экспериментаторам? Ведь они пытаются измерить состав спина или орбитального момента кварков или глюонов на опыте. С какой формулой им сравниваться? Ответ в том, что на пути между реальным измерением и сравнением с формулами лежит интерпретация измерений, и вот для этой задачи интерпретация, к сожалению, очень неоднозначна. Это было известно и раньше, но именно в процессе спора открылись новые грани этой неоднозначности. Поэтому сравниваться им можно с чем угодно, но надо только четко указывать, что именно они измерили и в рамках какого именно разложения они делают выводы. Может быть, это несколько усложнит описание результатов эксперимента, но, по крайней мере, такой подход будет честным.

Источник: E. Leader, C. Lorce. The angular momentum controversy: What's it all about and does it matter? // е-принт arXiv:1309.4235 [hep-ph] (17 September 2013).

Игорь Иванов


21
Показать комментарии (21)
Свернуть комментарии (21)

  • denis_73  | 25.09.2013 | 01:17 Ответить
    Чем физичность от истинности отличается?
    Чем канонический импульс от кинетического импульса отличается?
    Ответить
    • spark > denis_73 | 25.09.2013 | 02:51 Ответить
      На первый вопрос я уже остерегусь вам отвечать, извините. Я знаю, в какие дебри это может завести этот разговор. Второй вопрос уже по физике, но для него мне пришлось бы вам пересказывать основы лагранжевой и гамильтоновой механики, чо заняло бы у меня несколько вечеров только набивания текста и формул. Поэтому могу только порекомендовать самостоятельно потратить некоторое время на изучение этой темы (т.е. фактически на изучение того, что такое классическая механика в современном изложении).
      Ответить
      • Angl > spark | 25.09.2013 | 11:48 Ответить
        Признание какой-то формулы более "физичной" предполагает априорное (интуитивное) знание. Что, дескать, мы можем познать "внутренние" законы природы даже при отсутствии явных наблюдений.
        Некоторые при этом предполагают, что более "физичная" формула или теория даст следствия, которые могут быть проверены в будущем (а менее физичная - не даст). Но можно ли утверждать о физичности того, что принципиально непроверяемо?
        Это плохо согласуется с крайним материализмом современной науки.

        Пример из математики: У двух мальчиков по два яблока. Сколько яблок у них вместе.
        Один ученик пишет: 2+2=4, а второй 2*2=4. Какая формула более математична?
        Ответить
        • spark > Angl | 25.09.2013 | 14:21 Ответить
          Разумеется, это сам по себе спорный вопрос, что такое физичность и как к ней подходить. Эти вопросы — одна из граней обсуждаемой проблемы.

          > Это плохо согласуется с крайним материализмом современной науки.

          Зачем же на современную науку навешивать ярлыки? Одна из целей этого рассказа была как раз в том, чтобы показаться, что и такие вопросы обсуждаются в современной физике, и это не бред, а нормальная дискуссия.
          Ответить
        • SysAdam > Angl | 25.09.2013 | 16:40 Ответить
          Умножение - это просто краткая запись сложения.
          3*6 = 3+3+3+3+3+3
          Какие могут быть проблемы с физичностью или не физичностью?
          Ответить
          • Angl > SysAdam | 25.09.2013 | 17:03 Ответить
            Ну, можно, например, сказать, что 2*2=4 более правильная ("физичная") формула, так как если мы будем решать задачу для 3-х или N мальчиков, вид формулы не поменяется (в отличие от 2+2=4).
            А можно сказать, что это разные задачи, и вполне могут решаться разными формулами, ничего в этом страшного нет :)
            Ответить
            • a_b > Angl | 25.09.2013 | 21:20 Ответить
              Лучше в качестве альтернативы взять мальчиков с неодинаковым числом яблок. Тогда "физичнее" суммирование :)
              Ответить
              • Angl > a_b | 25.09.2013 | 22:53 Ответить
                Можно вместо сложения поставить в первую формулу лангранжиан, а во вторую какую-нибудь неабелеву группу. Причем обе они будут выдавать верные ответы при любых значениях параметров, которые мы можем проверить. Пусть количество яблок фиксировано, как количество цветов кварков. Да, одна формула слегка сложнее другой, но кто сказал, что она менее физична? Для такого утверждения надо хотя бы предполагать наличие эксперимента, в котором они дадут разные ответы.
                Ответить
  • Malcolm  | 25.09.2013 | 09:26 Ответить
    А почему спин протона должен "складываться" из составных частей, а не быть самостоятельной величиной?
    Понял уже, прочитал внимательно определение.
    Ответить
  • Serg12  | 25.09.2013 | 10:28 Ответить
    Меня в последнее время беспокоит одна вещь. Что однажды физики докопаются до чего-то такого, откроют такие взаимосвязи в природе, что их мозг просто не выдержит этого и они все разом сойдут с ума. И чем больше я знакомлюсь с квантовой механикой, тем менее смешным видится это предположение.
    Ответить
    • Angl > Serg12 | 25.09.2013 | 12:29 Ответить
      Не сойдут.
      "Подлинное свидетельство первоклассного ума - это способность одновременно держать в голове две противоположные идеи, не теряя при этом способности функционировать" (Фицджеральд)
      Ответить
    • spark > Serg12 | 25.09.2013 | 14:24 Ответить
      > И чем больше я знакомлюсь с квантовой механикой, тем менее смешным видится это предположение.

      Могу только вам посочувствовать. Не напрягайтесь, поберегите себя, побольше смотрите телевизор. :)
      Ответить
      • Serg12 > spark | 25.09.2013 | 17:44 Ответить
        Так ведь напрягаюсь-то не я, а физики с математиками. Вы же сами только что про это статью написали, которую мы здесь и обсуждаем. Они очень близко подобрались к тому пределу, где вопрос: "А имеет ли это смысл?" и "С какой стороны вообще на это смотреть?" будет задаваться все чаще и чаще.
        Ответить
        • inflaton > Serg12 | 29.09.2013 | 21:55 Ответить
          То, что вы лично не в состоянии что-то понять, не означает, что все научное сообщество тоже.
          Ответить
  • nicolaus  | 25.09.2013 | 20:42 Ответить
    Я хочу взглянуть на описанные явления с общефилософской точки зрения.

    В нашем мире наблюдается постоянное увеличение сложности физических и, особенно, биологических систем. Сначала образовались элементарные частиц - тот же протон. Потом возникли атомы, звезды, галактики, планеты, на нашей планете возникла живая материя Если мы изменим на немного хотя бы одно свойство элементарных частиц, то жизни, скорее всего, не будет. Поэтому все, что мы видим, представляет гармоничную систему. И благодаря этой гармонии система постоянно усложняется.

    Существует пирамида. Наверху пирамиды элементарные частицы с простыми с виду внешними свойствами. Разнообразие частиц, скорее всего, конечно и возможно все частицы нашего мира уже открыты. Количество частиц, из которых состоит видимый окружающий нас мир, совсем небольшое. Внизу пирамиды практически бесконечное разнообразие физических и биологических систем невероятной сложности.

    Встает вопрос, возможно ли неуклонное расширение основания пирамиды и усложнение материи на основе простых свойств элементарных частиц материи? Ответ на этот вопрос – скорее всего, нет. Из ничего нечего не бывает.

    Обсуждаемая статья поддерживает это предположение. Внутреннее строение протона может быть столь же сложно, как и окружающего нас мира. Согласно обсуждаемой статьи, даже математическое описание внутренних процессов в протоне неоднозначно.

    Сложность внутренней организации протона может проявляться в виде его тонких свойств, которые становятся существенными при малых энергиях, например, при образовании атомов, молекул, молекулярных систем, включая живую материю. Причем, внутри протона существует часть гармоничной системы. Другие, дополняющие части, содержатся в нейтроне и электроне и, возможно, в других частицах. Возможно, когда то это было все едино, но потом мир остыл и система распалась на осколки. При этом первоначальная система не потерялась.Эта система, путем отображения через тонкие свойства элементарных частиц, создает невероятную сложность нашего мира.

    По всей видимости, в настоящее время изменятся задачи физики. Поскольку ученые уже достигли вершины пирамиды, за которой ничего нет, задачей физики будет изучение описанной системы и частей системы на всех ее уровнях. Собственно, обсуждению вопросов этого изучения и посвящена данная статья.

    Я прошу извинить за длинное изложение. Поскольку короче эту мысль изложить не получается.
    Ответить
    • spark > nicolaus | 25.09.2013 | 21:47 Ответить
      Ох, не люблю я досужие рассуждения.

      Первая половина — это всё понятно и стандартно.
      Вопрос: «возможно ли неуклонное расширение основания пирамиды и усложнение материи на основе простых свойств элементарных частиц материи?» тоже понятен, но он уже не имеет отношения к структуре элемнетарных частиц, это вопрос из категории «какие уже уровни сложности можно надстроить над имеющимися».

      Но практически все ваши утверждения, начиная с «Обсуждаемая статья поддерживает это предположение» неверны и начинают напоминать типичные фантазии альтернативщиков. Боюсь, как бы за эту тему не ухватились радостно другие любители «пофилософствовать о современной науке».
      Ответить
      • Ф.Калуц. > spark | 26.09.2013 | 22:33 Ответить
        Да уж не скажите! Седьмой год на специальной трехкаскадной системе наноканалов от 1,4 до 39,6нм., занимаюсь биофизической химией, точнее водородными связями. Ничтожно малые перекрывания орбит валентных электронов, электронов с ядром водорода-протия и между ядрами вызывает эл.магнитные импульсы, точнее "помероны", калиброванные по импульсу для атома, иона или комплексной молекуле. В квантовой теории силовые поля обеспечиваются обменом частиц - квантами силовых полей. Эл.магнитное взаимодействие получается из-за обмена фотонами. Сильное взаимодействие между кварками - из-за обмена глюонами. Но я сроду не думал, что использую вклад в общий момент импульса протона, момент импульса глюонов?! В ионе водорода у протона происходит как бы разрыхление объема, по сравнению с плоскостью эфф. сечения свободного протона. И вот ничтожно малое перекрывание этих разрыхлений дает калиброванный резонансный "кварк", который на расстоянии "калибрует" свойства частиц. Например, на расстоянии между клетками восстанавливаются поврежденная структура одной из ДНК. То есть, как я понимаю, тонкости разделения протонного спина можно увидеть при сравнении свободного протона и протона в ядре водорода-протия.
        Эл.магнитное взаимодействие протона с электроном приводит к появлению элементарных диполей с каждым кварком и, появившимися при вращении протона, глюонами. Поэтому электрон в водороде-протии физически размазан по всей поверхности протона. Эти эл.магнитные связи электрона и определяют оператора импульса вращения структуры протона. Любое увеличение импульса вращения оператора приводит к обмену фотонами, соответствующих элементарных диполей между структурой протона и электрона. А в моих экспериментах при ничтожно малом перекрывании орбит уже не фотонов, а калиброванных кварков. Если сравнивать уровень оператора и уровень наблюдаемых величин, то протон на ускорителе и протон раскрученный с помощью электрона в водороде-протии - это как бы ломом пытаться вытащить соринку из глаза?! А не аккуратно пинцетом, потому что только с помощью электрона сложную частицу протон мы сможем разделить на отдельные элементарные диполи эл.магнитных связей.
        Ф.Калуц.
        Ответить
        • spark > Ф.Калуц. | 27.09.2013 | 06:19 Ответить
          Увы, либо вы просто не поняли новость, либо у вас фантазия без тормозов.

          Например, вы хоть осознали, что описанная проблема касается только ультрарелятивистского протона? С покоящимся или нерелятивистским протоном проблем нет. Ваши предположения про то, что «тонкости разделения протонного спина можно увидеть при сравнении свободного протона и протона в ядре водорода-протия» — совершенно мимо. Равно как там нет и никакого «вращения протона». ЭМ взаимодействие протона с электроном, конечно, чуть-чуть поляризует протон, но совершенно незначительно. Намного более важным для спектроскопии является собственный магнитный дипольный момент протона, но даже он порождает лишь сверхтонкое расщепление, не более того. Перекрытие с в.ф. электронов тоже очень слабое и дает мизерные сдвиги. И наконец, это всё не имеет никакого отношения ни к описываемой в новости проблеме, ни к фантазированию про иерархию сложности, с которого начала эта ветка.
          Ответить
    • nicolaus > nicolaus | 27.09.2013 | 20:13 Ответить
      Я думаю, что по всем признакам внутренне строение протона является очень сложным. Отличие релятивистского протона от неподвижного заключается лишь в том, что за счет привнесения в систему энергии (в которую входит не только протон) нарушается внутренний баланс и протон меняет свои свойства. То, что описано в статье это одно из сложных свойств протона, и оно ни куда не денется, независимо от того, движется протон или нет. По всей видимости, это свойство может проявляться при любом взаимодействии протона с другими частицами и полями.

      Протон и другие элементарные частицы лежит в основе «фундамента» нашего мира. Я думаю, что если фундамент простой,то никакие сложные уровни материи над ним надстроить невозможно.

      Попробую проиллюстрировать эту мысль.

      Есть игра в магнитные шарики. Эти шарики можно складывать в куб, цилиндр и другие геометрические фигуры. Сложность системы из шариков пропорциональная количеству шариков и не зависит от того, какую геометрическую фигуру мы из них складываем. Как бы мы не комбинировали шарики, уровня сложности живой материи при всем желании из этих шариков не получить.

      Ситуация изменится если мы эти шарики сделаем неровными, а из внутренних магнитов каждого шарика образуем квадрупольную или более сложную магнитную систему. В этом случае количество вариантов геометрических фигур, которые можно сложить из шариков, резко возрастет, возрастет также сложность фигур. Затем неровности и внутренние магниты шариков сделаем большими и маленькими, с уменьшением самых мелких из них до бесконечно малой величины. Сделаем еще одно усовершенствование - внесем в систему неровностей некоторый порядок – в виде узора в структуре неровностей и магнитных полей, например с теми критериями, как понимает красоту человек. Дополнительно, поверхность шариков покроем материалом, не создающим трения.

      Если отпустить горсть таких шариков в невесомости, то они соединятся между собой в виде одного из вариантов. Получившаяся фигура будет похожа на хаос. Для того, чтобы система начала эволюционировать, внесем в систему движение, аналогичное тепловому движению молекул.

      Когда температура высокая, шарики вообще не могут соединиться между собой. Начнем снижать температуру. Сначала из шариков образуются простые структуры. Структуры будут обладать порядком, в соответствие с узором крупных неровностей, которые мы нанесли на шарики. При дальнейшем понижении температуры сложность и разнообразие возникающих структур будет резко возрастать. Форма структур будет обладать гармонией, в соответствие с изначальным образом неровностей на шариках. Красота, которую мы нанесли на шарики, размножится в бесконечном разнообразии.

      Примерно так происходит и в реальном мире.

      Движение от вершины в сторону основания пирамиды (см. комментарий от 25.09.2013 20:42) сопровождается снижением температуры, при которой могут существовать составляющие пирамиду объекты. Находящиеся на самой вершине пирамиды элементарные частицы обладают наименьшей видимой сложностью и набольшим диапазоном температур, при котором эти объекты не разрушаются. Внизу пирамиды теплокровные животные, в т.ч. люди. Допустимый диапазон температуры человеческого тела не превышает 35,6…37,6 градусов (+-1 градус). Только в этом случае молекулярная система в нашем организме достигает баланса и не разрушается. В других срезах пирамиды находятся промежуточные уровни температуры, сложности и разнообразия. В рамки контура пирамиды вписывается как живая, так и неживая материя. Например, самые первые бактерии были относительно простыми организмами и были термофилами (могли существовать в широком диапазоне температур от -20 до +70 градусов (по памяти). Динозавры были хладнокровными и имели очень длинную эволюцию. Но так и не стали разумными. Динозавры находятся на срезе пирамиды немного выше уровня живых организмов в наше время. Первые бактерии - еще выше.

      Уважаемый spark, можете это сообщение стереть. Однако мне было бы интересно перед этим узнать по написанному Вашу точку зрения. Спасибо за предыдущие комментарии.
      Ответить
      • a_b > nicolaus | 29.09.2013 | 17:02 Ответить
        А можно спросить, в чем Вы видите пользу от этих общефилософских рассуждений? Вот, к примеру, Вы пишете:
        >Отличие релятивистского протона от неподвижного заключается лишь в том, что за счет привнесения в систему энергии (в которую входит не только протон) нарушается внутренний баланс и протон меняет свои свойства.

        Для физики это _очень_ неконкретно. Что еще входит в систему? Баланс чего имеется в виду - энергии (какой), числа (суб)частиц, еще какой-либо? "Внутренний" он по отношению к системе или протону? Какие свойства меняются? Насколько?
        Ответы на эти вопросы хоть как-то следуют из общей философии?
        Ответить
        • nicolaus > a_b | 29.09.2013 | 18:52 Ответить
          «Что еще входит в систему?»

          Например, второй протон, с которым релятивисткий протон может взаимодействовать. Кстати, если второй протон покоится относительно нас, то при взаимодействии с первым протоном он также меняет свои свойства. Я думаю, что свойства протона меняет взаимная энергия в системе.

          «Внутренний" он по отношению к системе или протону?

          По отношению к системе. Если протон входит в несколько систем, то получается, что в рамках разных систем он проявляет разные свойства.

          «Какие свойства меняются? Насколько?»

          Например, меняется сечение взаимодействия и форма протона (это я знаю из статей). Возможно, протон внутри становится неоднороден. А его магнитный момент расщепляется на моменты более высоких порядков (а вот в отношении последнего, я бы хотел спросить).

          Я знаю, что со внутренними свойствами атомного ядра (дипольным магнитным моментом ядра и моментами более высоких порядков, а также электрическими моментами) связно сверхтонкое расщепление спектральных линий атома. Количество этих линий ограничено разрешающей способностью спектрометра. Энергия уровней этого расщепления примерно в 1000 раз меньше тонкого расщепления.

          "Ответы на эти вопросы хоть как-то следуют из общей философии?"

          Ответы на Ваши вопросы не следуют из общей философии.
          Ответы я могу написать неправильно. Я не специалист в этой области. Если хотите получить квалифициронный ответ лучше спросите об этом у spark –а. Если я бы все знал, какой смысл обсуждать их на форуме.

          Из общефилософских рассуждений меня интересует все, что ниже первого абзаца сообщения от 27.09.2013 20:13.
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»