Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 27 (всего у книги 52 страниц)

Сила, материя и поля Хиггса

Поля являются основой большей части современной физики. Электромагнитное поле, обсуждавшееся в главе 3, является, возможно, простейшим и наиболее хорошо известным из полей природы. Проводя жизнь среди радио и телевизионных передач, сотовых телефонов, солнечного тепла и света, мы все постоянно купаемся в море электромагнитных полей. Фотоны являются элементарными составляющими электромагнитных полей и могут рассматриваться как микроскопические переносчики электромагнитной силы. Когда вы что-нибудь видите, вы можете думать об этом в терминах волнового электромагнитного поля, входящего в ваш глаз и стимулирующего сетчатку, или как о частицах-фотонах, входящих в ваш глаз и делающих то же самое. По этой причине фотон иногда описывается как частица – переносчикэлектромагнитной силы.

Гравитационное поле также привычно, поскольку оно постоянно и надёжно удерживает нас и всё, что нас окружает, на земной поверхности. Как и в случае с электромагнитными полями, мы все погружены в море гравитационных полей; Земля здесь доминирует, но мы также чувствуем гравитационное поле Солнца, Луны и других планет. Точно так же, как фотоны являются частицами, составляющими электромагнитное поле, физики уверены, что частицами, составляющими гравитационное поле, являются гравитоны. Гравитоны до сих пор не открыты экспериментально, но это и не удивительно. Гравитация намного слабее всех сил (например, обычный магнит, который висит на вашем холодильнике, может поднять скрепку для бумаги, преодолев гравитационное притяжение всейЗемли), так что вполне понятно, что экспериментаторы ещё не обнаружили мельчайшие составляющие слабейшей силы. Однако даже без экспериментального подтверждения большинство физиков уверено, что точно так же, как фотоны передают электромагнитную силу (являются переносчиками электромагнитных сил), гравитоны передают гравитационную силу (являются переносчиками сил тяготения). Когда вы роняете стакан, то можете думать о происходящем в терминах гравитационного поля Земли, притягивающего стакан; либо, используя более изощрённое геометрическое описание Эйнштейна, вы можете представить, как стакан соскальзывает вдоль углубления в ткани пространства-времени, вызванного присутствием Земли; либо – если гравитоны на самом деле существуют – вы можете также думать об этом как об обмене гравитонами между Землёй и стаканом. Гравитоны передают гравитационное «сообщение», которое «приказывает» стакану падать на Землю.

Кроме этих хорошо известных силовых полей имеются две другие силы природы, сильное ядерное взаимодействиеи слабое ядерное взаимодействие, и они также переносятся полями. Ядерные силы не так привычны, как электромагнетизм и гравитация, поскольку они действуют только на атомных и субатомных масштабах. Но даже при этом их влияние на повседневную жизнь благодаря ядерным реакциям, заставляющим Солнце светить, ядерным реакциям, сопровождающим работу атомных реакторов, а также радиоактивному распаду элементов, таких как уран и плутоний, не менее важно. Поля сильного и слабого ядерного взаимодействия называются полями Янга–Миллса в честь Чжэньнина Янга и Роберта Миллса, которые в 1950-е гг. разработали основы теории таких полей. И точно так же, как электромагнитные поля составлены из фотонов, а поля тяготения, как мы думаем, должны быть составлены из гравитонов, сильные и слабые поля тоже имеют частицы в качестве своих составляющих. Частицы сильного взаимодействия называются глюонами, а частицы слабого взаимодействия называются W– и Z-частицами. Существование этих частиц было подтверждено экспериментами на ускорителях, проведёнными в Германии и Швейцарии в конце 1970-х и начале 1980-х гг.

Поля имеют отношение также и к материи. Грубо говоря, вероятностные волны квантовой механики можно представить как поля, заполняющие пространство, которые определяют вероятность, с которой та или иная частица материи находится в том или ином месте. Например, электрон может рассматриваться как частица – одна из тех, что могут оставить точку на фосфоресцирующем экране, как на рис. 4.4, – но он может (и должен) также рассматриваться в терминах волнового поля, которое может дать интерференционную картину на фосфоресцирующем экране, как на рис. 4.3 б. ^{116} Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в подробности, ^{117} вероятностная волна электрона тесно связана с объектом, который называется электронным полем– полем, которое во многих отношениях сходно с электромагнитным полем, но в котором электрон играет роль, аналогичную фотону, будучи мельчайшей составляющей электронного поля. Полевое описание того же типа справедливо и для всех других разновидностей частиц материи.

Вы можете подумать, что мы охватили всё, рассмотрев материальные и силовые поля. Но существует общее убеждение, что на этом дело далеко не кончается. Многие физики твёрдо уверены, что имеется ещё третий тип поля, который пока экспериментально не обнаружен, но который в течение последней пары десятилетий играл центральную роль как в новейших космологических теориях, так и в физике элементарных частиц. Это поле называется полем Хиггса в честь шотландского физика Петера Хиггса. ^{118} И если идеи следующего раздела верны, то вся Вселенная пронизана океаном поля Хиггса – холодным следом Большого взрыва, – который отвечает за многие свойства частиц, из которых состоите вы и я, и всё, с чем мы сталкиваемся.

Поля в охлаждающейся Вселенной

Поля реагируют на температуру примерно так же, как и обычная материя. Чем выше температура, тем больше будет величина вибрации поля – подобно поверхности бурно кипящего котелка воды. При низкой температуре, характерной сегодня для глубокого космоса (2,7° выше абсолютного нуля или, как это обычно обозначается, 2,7K – по Кельвину), или даже при более высоких температурах здесь на Земле такая вибрация поля ничтожна. Но температура сразу после Большого взрыва была столь огромна (считается, что через 10 ⁻⁴³с после Большого взрыва температура была около 10 ³²K), что все поля колебались со страшной силой.

По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, начальная гигантская плотность материи и излучения неуклонно падала, безбрежные просторы Вселенной становились всё более пустыми и колебания поля ослабевали. Для большинства полей это означало, что их величина в среднем стремилась к нулю. В некоторый момент величина определённого поля может подняться немного выше нуля (пик), моментом позже она может опуститься немного ниже нуля (впадина), но в среднем величина большинства полей близка к нулю – к величине, которую мы интуитивно ассоциируем с отсутствием чего-либо или с пустотой.

Именно тут проявляет себя поле Хиггса. Исследователи пришли к пониманию, что имеется множество полей, которые имеют сходные свойства при огромных температурах сразу после Большого взрыва: они неистово колеблются вверх-вниз. Но исследователи уверены, что когда температура Вселенной существенно упала, поле Хиггса сконденсировалось в особую ненулевуювеличину по всему пространству (точно так же, как пар конденсируется в жидкую воду, когда его температура существенно падает). Физики говорят об этом как о возникновении ненулевой величины вакуумного среднего поля Хиггса– но, чтобы упростить технический жаргон, я буду говорить об этом как о формировании Хиггсова океана.

Это похоже на то, что будет происходить, если вы посадите лягушку в горячую металлическую чашу, как показано на рис. 9.1 а, с кучей червяков в центре. Сначала лягушка будет прыгать так и сяк – высоко вверх, вниз, влево, вправо – в отчаянных попытках спасти свои лапы от ожога, и в среднем будет находиться так далеко от червяков, что даже не будет знать, что они здесь есть. Но по мере остывания чаши лягушка будет успокаиваться, будет прыгать слабее и мягко скатится в наиболее спокойное место на дне чаши. Там, приблизившись к центру чаши, она, наконец, встретится со своим ужином, как показано на рис. 9.1 б.

Рис. 9.1.( а) Лягушка, брошенная в горячую металлическую чашу, постоянно прыгает по ней. ( б) Когда чаша остывает, лягушка успокаивается, прыгает намного меньше и скатывается вниз к середине чаши. ( в) Как и на рис. а, но с горячей чашей иной формы. ( г) Как и на рис. б, но теперь, когда чаша остывает, лягушка соскальзывает вниз в жёлоб, который находится на некотором расстоянии от центра чаши (где находятся червяки)

Но если чаша имеет иную форму, как показано на рис. 9.1 в, события будут разворачиваться иначе. Представьте снова, что чаша сначала очень горяча и кучка червяков опять лежит в центре чаши, но теперь центр приподнят в виде возвышения. Если вы посадите в чашу лягушку, она опять будет неистово прыгать туда-сюда, оставаясь в неведении относительно приза, возвышающегося по центру. Теперь, когда чаша остынет, лягушка успокоится, уменьшит свои прыжки и сползёт вниз по скользкой стенке чаши. Но из-за новой формы лягушка никогда не достигнет центра чаши. Вместо этого она сползёт к жёлобу чаши и останется на расстоянии от кучи червяков, как показано на рис. 9.1 г.

Если мы представим, что расстояние между лягушкой и кучкой червяков представляет величину поля, – чем дальше лягушка от червяков, тем больше величина поля, – а высота положения лягушки представляет энергию, содержащуюся в такой величине поля, – чем выше в чаше оказывается лягушка, тем большую энергию содержит поле, – то эти примеры хорошо показывают поведение полей при охлаждении Вселенной. Когда Вселенная горяча, поля неистово мечутся от одного значения к другому, почти как лягушка, прыгающая с места на место в чаше. Когда Вселенная охлаждается, поля «успокаиваются», прыгают реже и не столь безумно, и их величина сползает вниз к меньшей энергии.

Но есть одно обстоятельство. Как и в примере с лягушкой, имеется возможность двух качественно разных исходов. Если форма чаши энергии поля – так называемая потенциальная энергия– подобна рис. 9.1 а, величина поля во всём пространстве будет сползать всеми способами вниз, к нулю, к центру чаши, точно так же, как лягушка разными способами соскальзывает к куче червяков. Однако если потенциальная энергия выглядит подобно рис. 9.1 в, величина поля не будет стремиться к нулю, т. е. к центру энергетической чаши. Вместо этого, точно так же, как лягушка соскользнёт в жёлоб, который находится на ненулевом расстоянии от кучки червяков, величина поля также сползёт вниз в жёлоб, расположенный на ненулевом расстоянии от центра чаши, – и это означает, что поле будет иметь ненулевую величину. ^{119} Такое поведение и является характерным для полей Хиггса. Когда Вселенная остывает, величина поля Хиггса застревает в жёлобе и никогда не становится нулевой. А поскольку то, что мы описываем, будет происходить однородно во всём пространстве, то Вселенная будет пропитана однородным и ненулевым полем Хиггса – Хиггсовым океаном.

Причина, по которой это происходит, проливает свет на фундаментальную особенность полей Хиггса. Когда область пространства становится всё холоднее и всё более пустой – когда материя и излучение становятся всё более разреженными, – энергия в области становится всё более низкой. В предельном случае можно получить наипустейшую область пространства, понижая её энергию настолько, насколько это возможно. Для обычных полей их вклад в энергию будет наименьшим, когда их величина как-нибудь скатится вниз к центру чаши, как на рис. 9.1 б; они имеют нулевую энергию, когда их величина равна нулю. Это имеет интуитивно ясный смысл, поскольку мы ассоциируем опустение области пространства с обращением всего, включая величины полей, в нуль.

Но в случае поля Хиггса дела обстоят иначе. Точно так же, как лягушка может достичь центральной площадки на рис. 9.1 ви сократить до нулярасстояние к кучке червяков, только если она имеет достаточно энергии, чтобы допрыгнуть до неё из окружающего площадку жёлоба, поле Хиггса может достичь центра энергетической чаши и принять нулевое значение, только если оно имеет достаточный запас энергии, чтобы преодолеть выпуклость в центре чаши. Если, напротив, лягушка имеет мало энергии или совсем её не имеет, она соскальзывает в жёлоб как на рис. 9.1 г– на ненулевое расстояние от кучки червяков. Аналогично, поле Хиггса с малой энергией или без энергии также сползёт в жёлоб чаши – на ненулевое расстояние от центра чаши, значит, будет иметь ненулевую величину.

Чтобы заставить поле Хиггса иметь нулевую величину – величину, которая выглядела бы наиболее близкой к полному отсутствию поля в пространстве, величину, которая казалась бы наиболее близкой к состоянию пустоты, – вы должны были бы повысить его энергию и, говоря на языке энергий, область пространства была бы не столь пуста, как она, возможно, могла бы быть. Хотя это и звучит противоречиво, но удаление поля Хиггса – т. е. уменьшение его величины до нуля – равносильно добавлению энергии в область пространства. В качестве грубой аналогии вспомним о прекрасных шумоподавляющих наушниках, которые производят звуковые волны, гасящие волны, приходящие из окружающей среды. Если наушники работают идеально, вы слышите тишину, когда они производят свой звук, но вы слышите внешний шум, если вы их выключаете. Исследователи пришли к мысли, что точно так же, как вы слышите меньше шума, когда наушники производят звук, на который они запрограммированы, так и пустое холодное пространство заключает в себе настолько мало энергии, насколько это возможно, – оно настолько пусто, насколько это может быть, – когда оно наполнено Хиггсовым океаном.

Процесс, в котором поле Хиггса приобретает ненулевую величину во всём пространстве, – процесс формирования Хиггсова океана – называется спонтанным нарушением симметрии [61]61
  Терминология не особенно важна, но коротко укажем, откуда она происходит. Жёлоб на рис. 9.1 ви гимеет симметричную форму (он круговой), в которой каждая точка эквивалентна любой другой (каждая точка жёлоба обозначает величину поля Хиггса с минимальной возможной энергией). Кроме того, когда величина поля Хиггса сползает на дно чаши, она располагается только в одной определённой точке жёлоба, таким образом, она «спонтанно» выбирает одно положение в жёлобе как специальное. Теперь все точки жёлоба не являются больше одинаково равноправными, поскольку одна выделена, так что поле Хиггса уничтожает или «нарушает» исходную симметрию между ними. Поэтому процесс, в котором поле Хиггса соскальзывает к одной частной ненулевой величине в жёлобе, называется спонтанным нарушением симметрии. Далее в тексте мы более детально опишем детали нарушения симметрии, связанные с формированием океана Хиггса. ^{224}


[Закрыть]и является одной из наиболее важных идей, появившихся в теоретической физике последних десятилетий XX в. Давайте посмотрим, почему.

Океан Хиггса и происхождение массы

Если поле Хиггса имеет ненулевую величину (если мы все погружены в океан поля Хиггса), то не должны ли мы его чувствовать, или видеть, или знать о нём каким-то иным образом? Безусловно, должны. И современная физика утверждает, что мы это делаем. Покачайте своей рукой вперёд и назад. Вы можете почувствовать работу мускулов, двигающих массу вашей руки влево, вправо и обратно. Если вы держите шар для боулинга, ваши мускулы будут работать сильнее, поскольку, чтобы двигать более значительную массу, необходимо приложить бо́льшую силу. В этом смысле масса объекта представляет сопротивление этого объекта попытке заставить его двигаться; более точно, масса представляет сопротивление объекта изменению его движения – ускорению, – когда сначала мы двигаемся влево, потом вправо, а потом опять влево. Но откуда происходит это сопротивление ускорению? Или, говоря физическим языком, что даёт объекту его инерцию?

В главах 2 и 3 мы сталкивались с различными предложениями Ньютона, Маха и Эйнштейна, выдвинутыми в качестве частичныхответов на этот вопрос. Эти учёные пытались установить стандарт покоя, по отношению к которому могли бы быть определены ускорения, подобные тем, которые возникают в эксперименте с вращающимся ведром. Для Ньютона стандартом было абсолютное пространство; для Маха это были удалённые звёзды; а для Эйнштейна это было сначала абсолютное пространство-время (в специальной теории относительности), а затем гравитационное поле (в общей теории относительности). Но однажды установив стандарт покоя и, в особенности, установив систему отсчёта для определения ускорения, ни один из этих учёных не сделал следующий шаг к объяснению, почемуобъекты сопротивляются ускорению. То есть никто из них не определил механизм, с помощью которого объект приобретает свою массу (свою инерцию) – свойство, благодаря которому тело сопротивляется ускорению. С помощью поля Хиггса физики теперь предложили ответ.

Атомы, которые составляют вашу руку, шар для боулинга, который вы можете поднять, все состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, как обнаружили экспериментаторы в конце 1960-х гг., состоят из трёх частиц меньшего размера, известных как кварки. Так что когда вы машете рукой туда-сюда, вы на самом деле размахиваете туда-сюда всеми составляющими её кварками и электронами. Океан Хиггса, в который, как утверждает современная теория, мы все погружены, взаимодействуетс кварками и электронами: он мешает их ускорению почти так же, как чан с патокой сопротивляется движению шарика для пинг-понга, который туда опущен. И это сопротивление, это торможение мельчайших составляющих вещества даёт вклад в то, что вы ощущаете как массу вашей руки и шара для боулинга, которыми вы размахиваете, или как массу объекта, который вы бросаете, или как массу всего вашего тела, когда вы ускоряетесь в направлении к финишной линии на 100-метровой дистанции. Именно так мы чувствуем океан Хиггса. Силы, которые мы прикладываем тысячи раз в день, чтобы изменить скорость того или иного объекта (чтобы придать ему ускорение), являются силами, которые борются с сопротивлением океана Хиггса. ^{120}

Аналогия с патокой хорошо показывает некоторые детали Хиггсова океана. Чтобы ускорить шарик для пинг-понга, опущенный в патоку, вам нужно толкать его сильнее, чем когда вы играете с ним на теннисном столе, – он будет сопротивляться вашим попыткам изменить его скорость сильнее, чем он делает это вне патоки, так что он ведёт себя так, будто погружение в патоку увеличило его массу. Аналогично, в результате взаимодействий с вездесущим океаном Хиггса элементарные частицы сопротивляются попыткам изменить их скорость – они приобретают массу. Однако аналогия с патокой имеет три особенности, вводящие в заблуждение, которые надо иметь в виду.

Первая особенность состоит в том, что вы всегда можете вытащить шарик для пинг-понга из патоки и увидеть, как уменьшится его сопротивление ускорению. Это неверно для частиц. Мы думаем, что в настоящее время океан Хиггса заполняет всё пространство, так что нет способа удалить частицы из-под его влияния; все частицы имеют массы независимо от того, где они находятся. Вторая особенность состоит в том, что патока сопротивляется любому движению, тогда как поле Хиггса сопротивляется только ускоренному движению. В отличие от движения шарика для пинг-понга через патоку частица, двигаясь через внешнее пространство с постоянной скоростью, не будет замедляться за счёт «трения» о Хиггсов океан. Её движение будет продолжать оставаться неизменным. Только когда мы постараемся разогнать или затормозить частицу, поле Хиггса проявит своё присутствие через силу, которую нам приходится прикладывать. Третья особенность состоит в том, что когда это касается обычной материи, составленной из конгломератов фундаментальных частиц, имеется другой важный источник массы. Кварки, составляющие протоны и нейтроны, удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием: глюоны (частицы – переносчики сильного взаимодействия) перетекают от кварка к кварку, «склеивая» их вместе. Эксперименты показывают, что эти глюоны имеют высокую энергию, а поскольку соотношение Эйнштейна E= mc ²говорит нам, что энергия ( E) проявляет себя как масса ( m), мы получаем, что глюоны внутри протонов и нейтронов дают существенный вклад в общую массу этих частиц. Так что более точная картина заключается в представлении о патокоподобной силе сопротивления Хиггсова океана, как о дающей массу фундаментальнымчастицам, таким как электроны и кварки, но когда эти частицы объединяются в составные частицы вроде протонов, нейтронов и атомов, вступают в игру и другие (хорошо понятные) источники массы.

Физики полагают, что степень сопротивления Хиггсова океана ускорению частицы меняется в зависимости от типа частиц. Это существенно, поскольку все известные виды фундаментальных частиц имеют различные массы. Например, в то время как протоны и нейтроны составлены из двух типов кварков (которые называются u-кварки и d-кварки: протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка), за годы исследований экспериментаторы, используя атомные столкновения, открыли четыре других вида кварков, массы которых охватывают широкий диапазон от 0,0047 до 189 масс протона. Физики думают, что объяснение разнообразия масс заключается в том, что различные типы частиц взаимодействуют с океаном Хиггса с большей или меньшей силой. Если частица движется через океан Хиггса легко, с малым взаимодействием или без такового, то сопротивление будет мало или будет отсутствовать и частица будет иметь малую массу или не будет иметь массы. Хорошим примером является фотон. Фотон движется сквозь океан Хиггса совершенно без сопротивления и поэтому совсем не имеет массы. Наоборот, если частица сильно взаимодействует с океаном Хиггса, она будет иметь более высокую массу. Самый тяжёлый кварк (называемый t-кварк) с массой около 350 000 масс электрона взаимодействует с Хиггсовым океаном в 350 000 раз сильнее электрона; он намного труднее ускоряется в океане Хиггса, и в этом причина его большой массы. Если мы сравним массу частицы со степенью известности личности, то океан Хиггса будет подобен толпе папарацци: неизвестные персоны проходят через толпящихся фотографов с лёгкостью, но видные политики и кинозвёзды проталкиваются с большим трудом. ^{121}

Это даёт прекрасную основу для размышлений о том, почему одна частица имеет массу, отличную от другой, но на сегодняшний день нет фундаментальных объяснений точного способа, которым каждый из известных типов частиц взаимодействует с океаном Хиггса. В результате нет фундаментального объяснения, почему известные частицы имеют именно те массы, которые обнаруживаются экспериментально. Однако большинство физиков думают, что если бы не было океана Хиггса, все фундаментальные частицы были бы подобны фотону и совсем не имели бы массы. Фактически, как мы сейчас увидим, так могло быть в ранние моменты Вселенной.