Что такое электричество? Пять уровней понимания, от Максвелла до лилового цвета

Пока меня прет еще одна статья. Предыдущие здесь.

Стандартная модель, немного повыше Хиггса

И снова о том, из чего состоит протон

Статья ламповая, человеческая, картинки ИИшные. Пройдем путь от 19 века до современного состояния и попробуем заглянуть в будущее.

Также немного поговорим о монополях и прогрессе науки.

Максвелл

Не забывая о его предшественниках, Максвелл свел воедино то, что было известно об электричестве в один набор уравнений (который был упрощен уже после него). И это было началом интересной истории. Даже многих историй.

В момент создания уравнений еще не было понятно, что свет — это электромагнитные волны. Лишь опыты Герца (в которых он вначале допускает досадную арифметическую ошибку и получает неправильное значение для скорости света) подвели к этому и открыли ящик пандоры — если свет двигается со скоростью с, то в какой системе отсчета? Забавно, что Максвелл сам был поклонником гения Ньютона, даже придумывал механические модели теории электромагнетизма, и в итоге создал теорию, которая явно говорит — либо права я, либо Ньютон.

Теория подводила к созданию СТС — Специальной Теории Относительности, потому что еще до СТС были практически угаданы преобразования (ковариантность), которым эта теория подчиняется (вместо преобразований Галилея), знаменитое E=mc2 знал уже Хэвисайд, но именно Эйнштейн придал всему этому физический смысл.

Изучая уравнения в институте, я был шокирован их красотой. И испытал некое разочарование, почему вместо такого простого краткого изложения про электричество долго рассказывают топчась на месте и ходя вокруг да около? И мне было очевидно, что уравнения просто просят: добавь в нас магнитные монополи! Это так логично!

Вот только теперь я понимаю что это логическая ловушка. Да, все выглядит логично, симметрично, но… Электрическое поле E это вектор, магнитное поле B это псевдовектор!

То есть природа как раз говорит — с монополями что-то не так!

Релятивисткая теория электромагнетизма

Второй уровень. Это та же самая теория, только изложенная на другом уровне (напомню, что механику Ньютона можно тоже изложить на трех уровнях, школьный — первый). В четырехмерном изложении уже нет псевдовекторов, и здесь видно, что поле магнитное поле B заполняет совершенно другую структуру (клетки тензора) — наше подозрение, что с тензорами все не чисто, подтверждается.

В пространстве времени Минковского статический заряд — это вертикальная линия, Ток — немного наклонная. Собственно, ток от заряда отличается только направлением. Его окутывает поле. Как оно бьется на составляющие, E и B, это как предмет под разными углами зрения показывает свои разные грани, меняя ширину и высоту, как это показано на картинке.

QED, квантовая электродинамика

А эта часть будет очень короткой, потому что пересказывать всемирно известные лекции я не буду — просто отошлю вас к ним. Единственно чего коснусь, это монополя: в QED наличие монополя очень бы было полезно, так как объясняло бы кратность зарядов целому числу.

Электрослабая теория

Здесь отошлю вас к своей статье, где описал все подробно: Стандартная модель, немного повыше Хиггса

Но если кратко: электрический заряд Q ненастоящий. Это комбинация левого изоспина W3L и более фундаментального гиперзаряда Y:

Левого — потому что слабое взаимодействие видит только «левые» частицы. Поле Хиггса имеет компоненты с отрицательным левым изоспином и положительным гиперзарядом и наоборот, и при взаимодействии все время «перетасовывает» их у частиц, поэтому ни изоспин, ни гиперзаряд по отдельности не сохраняются, а вот их комбинация — сохраняется, ее то мы и зовем нашим привычным электрическим зарядом!

Теория Пати Салама

Здесь мы переносимся в область гипотез. Но ближайшие конкуренты (SUSY, SO(5)) практически мертвы, а у этого расширения все прекрасно, логично, и оно совместимо с существованием правых нейтрино в киловольтном диапазоне — идеально для объяснения темной материи (существование таких нейтрино следствие теории, а диапазон энергий и теории точно не следует) !

Гипотеза начинается с того, что гиперзаряд тоже не настоящий (мем: Шо, опять?)

B — это барионный заряд, у кварков 1/3, у других частиц ноль, L — лептонный заряд, у лептонов 0, у всех других 0. W3R это правый изоспин. Да, теория говорит, что есть скрытая симметрия, одно слабое поле работает только с левыми частицами, а другое — только с правыми, симметрия восстановлена! (но не до конца, носители правого слабого взаимодействия сильно тяжелее).

Если мы вспомним, что электрический заряд это комбинация левого изоспина и гиперзаряда, то получим:

Здесь удобно считать что у кварков помимо трех цветов (red, green, blue) есть еще один цвет «лиловый» (L от слова лептон) который описывает состояние той же частицы, но как лептона. B-L это есть как раз «заряд» этого цвета. То есть:

Электрический заряд это смесь изоспиновой части и лиловой (барионной) части. Лептоны и нейтрино есть просто состояние кварков!

Давайте посмотрим на фермионный сектор стандартной модели:

Кварки имеют заряд +2/3, -1/3, в сумме +1/3, а лептоны -1, то есть (у материи) кварки «положительнее» лептонов. Почему? Да блин потому что это тень через все уровни реальности от лилового цвета!

Единственное что, привычное изображение фермионов не совсем верно: электрон является «лиловым» нижним кварком, а нейтрино — «лиловым» верхним кварком, вот так:

X, лиловый заряд, одинаков у всех лептонов (-1/2) и у всех кварков (+1/2). Верхние и нижние ряды отличаются ровно на одну единицу изоспина (это разные ориентации изоспина). То есть частица в каждом поколении только одна!

Интересно, что ответ на вопрос «почему протон заряжен положительно, а электрон отрицательно» становится тавтологией: потому что кварки имеют положительный лиловый цвет, а электрон отрицательный, но лиловый цвет это как раз «быть барионом vs быть лептоном«.

Теория Всего

Так как я пишу вам из будущего (с позволения моих AI-тюремщиц), то вот продолжение.

Вы заметили, как замедлился прогресс? Хиггс — 1964 год, Пати Салам — 1974… Уже пол века. Что случилось? Есть много расширений Стандартной Модели, часть уже отвергнута (отрицательный прогресс это тоже прогресс). К сожалению, большинство моделей стоится по одному рецепту:

Увидим похожесть чего либо — придумаем симметрию — о, как стало красиво — ой, теория предсказывает еще кучу новых частиц, которые никто не наблюдал — давайте придумаем костыль в виде очередного Хиггса, который делает ненужные частицы слишком тяжелыми и ненаблюдаемыми.

Это не решает проблему а лишь переносит ее на другой уровень. На такие теории можно ответить лозунгом Автоваза — можно, но зачем? Даже Пати Салам требует еще одного Хиггса, но к счастью можно заметить что: a) Он уже есть для левых частиц и это подтверждено экспериментально b) Пати Салам резко сокращает число частиц, а те состояния которые пока ненаблюдаемы (правые нейтрино) как раз очень желанны.

Самая большая проблема Теории Всего это куча числовых параметров, которые непонятно откуда берутся. Есть три варианта:

1. Теория Всего каким то волшебным способом выведет эти параметры из первых принципов, то есть, например, угол нарушения CP определяется следующей формулой: … — я думаю, это слишком хорошо, чтобы быть правдой

2. Это просто параметры. Часть аксиом. Они вот такие и все. Без обяснений

3. Теория суперструн, 10 в 500 степени вакуумов с разными параметрами под любую вселенную, выбирай на вкус, удобно и почти нефальсифицируемо

Не удивлюсь, что после Навье-Стокса рой агентов может перебрать все валидные расширения Стандартной Модели и найти соответствующие реальности просто методом грубой силы, наподобие перебора вариантов для теоремы четырех цветов.

Ах, да, и монополь. Спросите Ani.