Текст книги "Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности"

Автор книги: Дэйв Голдберг

Соавторы: Джефф Бломквист
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 20 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

IV. Откуда же берутся эти силы?

Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис – не более чем конвульсивное размахивание ракеткой. То же самое можно сказать и о физике частиц. По состоянию наших знаний на сегодня, если положить два электрона на стол, они так и будут лежать. Взаимодействуют они только через электромагнитное (или слабое, или гравитационное) поле. Так что без поля они друг друга не увидят.

Откуда же берется поле? Две частицы должны как-то известить друг друга о своем присутствии. Это можно сделать, «послав» от одной к другой третью частицу. Этот посланец – или переносчик взаимодействия – и есть частица, которая на самом деле несет в себе силу. Два электрона посылают туда-сюда некую частицу с сообщением: «Вот он я, вали отсюда!»[70]70
  А иногда, очень редко: «Как ты думаешь, я привлекательный?» На что следует печальный вселенский ответ: «НЕТ!»


[Закрыть]

Частица-переносчик в электромагнетизме называется фотоном, и мы уже уделили беседе о нем довольно много времени в главе 2. Мы уже знаем, что фотоны лишены массы и двигаются со скоростью света. Вследствие наводняющей Вселенную энергии вакуума все мы по уши в фотонах, которые то появляются, то исчезают.

Как мы видели, в зависимости от обстоятельств свет можно считать частицей или волной. В более общем смысле волна – это такое поле, что-то такое, что наблюдается везде во времени и пространстве. Если вы возьмете антенну и обойдете с ней весь дом, то везде засечете радиосигналы: где-то слабее, где-то сильнее. Это и есть электромагнитное поле. Фотон – это всего лишь кусочек электромагнитного поля, который летит через пространство со скоростью света. То же самое можно сказать обо всех фундаментальных силах. Существует сильное поле, слабое поле, гравитационное поле, и у каждого есть своя соответствующая частица.

Переносчики сильного ядерного взаимодействия называются глюонами. Глюоны, как и фотоны, лишены массы и двигаются со скоростью света, однако, в отличие от фотонов, подвержены тревожным состояниям, связанным с сепарацией. Фотон – носитель электромагнитной силы, но сам по себе он электрически нейтрален. То есть сам он и не чувствует электромагнитной силы.

Частицы, которые испытывают на себе сильное взаимодействие, обладают зарядом иного рода – «цветом». «Сильные» аналоги отрицательного и положительного зарядов в мире электромагнетизма – это красный, синий и зеленый заряды, которые определяют взаимодействия, возникающие между кварками в сильном поле. Если вы собрались бежать за цветными карандашами, чтобы рисовать сильные взаимодействия, повремените. Это просто очередные придурковатые жаргонные названия, которые физики придумали, чтобы сбить с толку непосвященных.

Однако между электромагнитным режимом и сильным режимом существует важное различие. Как и при электромагнетизме, «игроки» (кварки) обладают зарядом, однако, в отличие от электромагнетизма, мячик тоже заряжен. Глюоны не просто переносят сильное взаимодействие, они его чувствуют – что разительным образом отличает их от фотонов. Глюоны притягивают друг друга и запутываются в структуры, которые называются глюболами. Это значит, что глюоны не могут летать далеко и сразу попадаются в ловушку – это одна из главных причин, по которой сильное взаимодействие ограничено пределами ядра. Это вдвойне справедливо для кварков, которые дадут сто очков вперед отшельникам вроде Дж.-Д. Сэлинджера и Томаса Пинчона. Вне ядра они вообще не встречаются.

Наша теория гравитации, которая называется общей теорией относительности, вообще не требует частиц-переносчиков. Об общей теории относительности мы поговорим в главах 6 и 7, но тот факт, что гравитация, согласно теории относительности, настолько отличается от всего остального, – это тайна, разгадку которой мы, вероятно, узнаем, когда будет разработана «Теория Всего» (по крайней мере убедительная Теория Всего).

Если все силы «на самом деле» одинаковы, тогда у всех должна быть частица-переносчик, не так ли? Идея заключается в том, что гравитацию переносит частица под названием гравитон, но ее не просто еще не открыли – мы крайне далеки от технологической возможности провести эксперимент, чувствительности которого хватило бы для обнаружения этой частицы. Однако мы уже знаем, что если гравитоны существуют, то они, как и фотоны, должны быть лишены массы. Вот почему они способны передавать гравитационные сигналы на такие громадные расстояния.

Слабое взаимодействие отличается от других очень сильно и доказывает это, как только может. Самое интересное его отличие заключается в том, что слабое взаимодействие переносят три частицы-переносчика. В отличие от пижонских названий, которые получили другие частицы, эти называются просто – W-бозоны и Z-бозоны[71]71
  W-бозоны бывают двух разновидностей. Так набирается три.


[Закрыть]. Почему же слабое взаимодействие настолько слабо, почему для того, чтобы хоть как-то проявиться, ему нужны дистанции субатомных размеров? Ответ мы уже знаем. Бозоны массивны, как гимнастические мячи, и им очень трудно перемещаться на дальние дистанции. Вероятно, вы не видите в этом ничего необычного, однако даже по самым простым теориям слабое взаимодействие, как и электромагнетизм и все прочие силы, должно иметь частицу-переносчик, лишенную массы. Почему же эти частицы совсем другие?

В физическом мире быть непохожим на других – сомнительное достоинство. Физики любят симметрию. Это настоящая любовь. Они посылают симметрии нежные записочки на лекциях и встречают ее после занятий с цветами. В целом физики понимают под симметрией вот что: можно менять параметры системы, но физика, которая стоит за ней, не меняется при этом ни капельки.

Представьте себе, что вы поехали за город поиграть в мини-гольф с племянником и племянницей и, в соответствии с традиционными гендерными представлениями, даете племяннику синий мяч, а племяннице – красный. Когда вы начинаете раунд, неважно, у кого синий мяч, а у кого красный, поскольку на игровые качества мяча цвет никак не влияет.

А теперь представьте себе, что на полпути к лунке вы отвлекли детей вкуснейшим мороженым и тайком поменяли местами синий и красный мячики. Если вы признаетесь детям, что поменяли мячики, ничего страшного не случится. Они вернутся к игре на том месте, где остановились, просто теперь племянник будет бить по красному мячу, а племянница – по синему. Конечно, подменить только один мячик и сделать так, чтобы на поле оказалось два красных, нельзя: тогда дети не будут знать, по какому мячику бить, и вы испортите им чудесный день.

Давайте обратимся к более научным материям, нежели мячики и клюшки. Дейтерий – это вариант водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Если бы вы попытались заменить один из нейтронов протоном или наоборот, у вас бы получился феномен вроде лох-несского чудовища или снежного человека: очень занятный, но несуществующий. Физики так ценят симметрию, поскольку с фундаментальной точки зрения любые два электрона – или любые две элементарные частицы одного и того же типа – в точности одинаковы, неразличимы. На микроскопическом уровне нельзя сказать «тот электрон» и «этот электрон». Мы просто отмечаем, что их два.

Так, но не совсем. У электронов есть еще одно свойство – спин, – как мы заметили, когда обсуждали в предыдущей главе ЭПР-парадокс. Спин электрона может быть направлен вверх или вниз. В чем разница? Во многих случаях разницы никакой. Например, электрон со спином, направленным вверх, имеет ту же массу и заряд, что и электрон, чей спин направлен вниз. С другой стороны, если мы пропустим электрон со спином, направленным вниз, через магнитное поле, он отразится не в том направлении, что электрон, чей спин направлен вверх. Более того, при помощи магнитного поля можно превратить электрон со спином, направленным вниз, в электрон со спином, направленным вниз, и наоборот. Тут-то в игру и вступает симметрия. Физики отмечают, что две частицы совершенно одинаковы, кроме одного относительно небольшого различия. Мы думаем о них как о двух версиях одной и той же частицы.

Разумеется, иногда эта аналогия оказывается довольно-таки натянутой. Например, при игре в мини-гольф можно всегда заменить красный мяч синим, и ничего ужасного не произойдет. На игровые качества мяча цвет, повторим, не влияет. Но что будет, если мы заменим красный мяч футбольным? С точки зрения игры в гольф такая подмена будет «плохой симметрией», поскольку один мяч влезает в лунку, а другой – нет. Однако если бы вы не играли в гольф, а хотели проверить, ровный ли у вас в гостиной пол, то мяч для гольфа и футбольный мяч послужили бы этой цели с одинаковым успехом.

Более того, у электронов есть еще одно качество – так называемая фаза, которую вообще невозможно измерить. Измерить можно только разницу в фазах между двумя электронами[72]72
  Фаза – это что-то вроде кадровой синхронизации на старом телевизоре. Картинку все равно можно различить, даже если она чуть повернута.


[Закрыть]. Два электрона с разными фазами в некоторых отношениях – одна и та же частица, а в некоторых – разные.

Да уж, с этими электронами одна морока.

В 1940 годах Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института придумал совершенно новый подход ко всему этому. Он спросил, что бы произошло, если бы существовало поле, способное менять фазу электрона (или любой другой заряженной частицы) на другую фазу. Пробившись сквозь математические дебри, он обнаружил, что это и есть электромагнитное поле. Такое странное предположение – что электроны с одной фазой можно превратить в электроны с другой – стало основой для того, чтобы предсказать все, что касается света. Если бы Фейнман проделал те же вычисления на сорок лет раньше, то предсказал бы фотоны до того, как Эйнштейн доказал, что они существуют.

Мы полностью согласны, что такой подход, получивший название «квантовая электродинамика», представляется абсолютно надуманным. У нас нет ни малейших представлений о том, почему Вселенная решила обзавестись физическими законами, построенными так, чтобы для них были справедливы аргументы, основанные на симметрии. Но это факт – аргументы справедливы.

Именно в этом случае физики и вспоминают о своей старинной подружке – симметрии. Может быть, если этот подход годится для одной из фундаментальных сил, он сгодится и для остальных? На первый взгляд электроны и нейтрино не слишком похожи друг на друга. Во-первых, электроны заряжены отрицательно, а нейтрино электрически нейтральны. С точки зрения электромагнетизма они вообще очень разные. Хотя обе частицы крайне легки, нейтрино настолько малы, что физики долгое время считали, будто у них вообще нет массы.

Однако у электронов и нейтрино явно есть нечто общее. Если в результате реакции появляется нейтрино, можете смело ставить последний доллар за то, что в этом замешан электрон. Поэтому, вероятно, эти частицы в чем-то симметричны, только симметрия очень слабая. Гипотеза заключается в том, что существует слабое поле, а на самом деле целых три, которое способно превратить электрон в нейтрино и наоборот, или превратить u-кварк в d-кварк, или позволить нейтрино разбегаться друг от друга. Маленькие «кусочки» этого поля можно засечь детектором – это частицы W и Z.

Мы могли бы проделать примерно такие же или гораздо более сложные логические выкладки и выявить качества глюонов, носителей сильного взаимодействия, или гипотетического гравитона, носителя гравитации. Но мы этого делать не будем. Нас (как и исследователей, работающих на БАК) интересует разгадка тайны слабого взаимодействия. Формулы слабого взаимодействия, которые получаются, когда мы проделываем вычисления, основанные на симметрии, оказываются почти идеально точными – как и в случае с электромагнетизмом.

Почти.

В главе 1 мы видели другую форму симметрии. Тогда мы ее так не называли, но отметили, что вся физика Вселенной имеет одинаковый смысл, когда вы стоите неподвижно или двигаетесь равномерно и прямолинейно. Кроме того, мы видели, что скорость частиц, очевидно, менялась в зависимости от того, двигаетесь вы или сохраняете неподвижность. С одним исключением: частицы, лишенные массы, всегда двигаются со скоростью света.

Очевидно, в частицах, лишенных массы, есть что-то особенное, и из этого должно следовать, согласно нашим симметрическим аргументам, что все частицы-переносчики должны быть лишены массы. Фотоны и глюоны именно таковы. Хотя мы так и не получили гравитон, тот факт, что гравитация распространяется со скоростью света, означает, что гравитоны должны быть тоже лишены массы.

С другой стороны, частицы W и Z обладают массой, и еще какой[73]73
  Если уж они ленятся, так ленятся, и с дивана их не поднять.


[Закрыть]. Они примерно в 100 раз массивнее протона. С точки зрения математики нужно здорово повозиться с формулами, чтобы с этим разобраться.

V. Почему я не могу сбросить вес (или массу) до нуля?

Насколько мы понимаем, аргументы, основанные на симметрии, о которых мы говорили выше, и в самом деле описывают фундаментальные уравнения Вселенной. Частицы действительно способны превращаться друг в друга. Если эта догадка верна, то мы могли бы предсказать каждую из фундаментальных сил, существование электронов и нейтрино, различные разновидности кварков и так далее.

Но мы этого не можем. Главная проблема – это масса, она словно борец сумо на тренажере «Кузнечик». Массы должны быть лишены не только частицы W и Z. Если бы мы начинали с нуля, создавая самую простую из возможных моделей Вселенной, мы бы предположили, что кварки, электроны и нейтрино тоже должны быть лишены массы. А у них масса есть.

Большинство популярных книг по физике говорит о концепциях наподобие «спонтанного нарушения симметрии» и других технических терминах, цель которых – описать массу через реальные частицы. А на самом деле эти концепции – не более чем условное описание, при помощи которого описывается математика, которая (гм!) отлаживает уравнения, чтобы они предсказывали именно то, что мы наблюдаем на самом деле.

Так далеко мы заходить не хотим. В этом нет ничего нечестного. Более того, это и есть физика высшего сорта. Вы придумываете теорию, Вселенная не соответствует вашим предсказаниям, поэтому вы придумываете новый инструмент, чтобы подправить математику. Например, кварки поначалу были придуманы как математическое допущение, а потом оказалось, что они и вправду существуют.

Было бы глупо описывать математику, которая требуется, чтобы обойти препятствия, с которыми мы до сих пор столкнулись. Было бы отнюдь не глупо, если бы мы подвели итог. В 1960-х годах Питер Хиггс из Эдинбургского университета предположил, что во Вселенной существует еще одно поле – кроме тех полей, о которых мы уже успели поговорить. Назвали его весьма свежо и оригинально – «поле Хиггса». Поле Хиггса имеет одно радикальное отличие от всех тех полей, о которых мы упоминали: оно не несет силы.

Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную. Вы в нем так и купаетесь. Но почему же мы его не замечаем, если оно нас окружает? Что оно делает, это поле Хиггса? Попробуем объяснить предельно просто: представьте себе, что это поле – что-то вроде густого меда. Положите кварк в большое ведро, полное поля Хиггса, и подтолкните его. Что будет? Толкать кварк, взаимодействующий с полем Хиггса, труднее, чем вы думали. С физической точки зрения чем труднее что-то двигать, тем оно массивнее. То есть поле Хиггса «придает» частицам массу.

Мы бы не хотели слишком долго развивать эту аналогию. Если бы поле Хиггса действительно было похоже на густой мед, то частица, придя в движение, начинала бы потом тормозиться. А этого явно не происходит. И все же в основном картина состоит в том, что, подобно тому как электромагнитное поле создает взаимодействие, которое двигает заряженные частицы, поле Хиггса создает взаимодействие, которое придает частице массу.

Все это кажется чистой воды умствованием, верно?

Но дело отнюдь не в том, что нервный физик хватается за соломинку. Мы уже упоминали гипотезу о том, что разнообразные силы во Вселенной – всего лишь разные аспекты одной-единственной силы. Например, когда-то считалось, что электричество и магнетизм – совершенно разные явления, пока в 1865 году Джеймс Клерк Максвелл не показал, что это просто разные аспекты одного и того же электромагнитного взаимодействия.

С тех самых пор физики пытаются показать, что оставшиеся четыре силы – это на самом деле три, две или в идеальном случае одна. Что же это означает? Ведь фундаментальные силы и в самом деле кажутся очень разными. Сегодня так и есть, однако, как выясняется, все зависит от того, достаточно ли Вселенная разогрета.

В 1961 году Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам показали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие – это одно и то же. На первый взгляд это смелое заявление. Различия между электромагнетизмом и слабым взаимодействием бросаются в глаза. Частица-переносчик у электромагнетизма не имеет массы, а слабые взаимодействия происходят через частицы W и Z, которые очень и очень тяжелы. В результате электромагнитные взаимодействия могут распространяться на большие расстояния, а слабые взаимодействия – только на очень близкие.

В общем, сами видите: пока что получается, что это разные силы. Странно. Как же объединить два настолько различных явления? Глэшоу, Вайнберг и Салам рассмотрели то, как эти силы выглядели на заре Вселенной, при высокой температуре и энергии. И оказалось, что полная теория электрослабых взаимодействий требует четыре частицы-переносчика, которые взаимодействуют с примерно одинаковой силой.

Однако по мере того, как Вселенная остывала, поле Хиггса (которое существовало все это время и никуда не девалось) начало уставать. И когда оно (метафорически) вышло на пенсию, то начало принимать горячее участие в делах соседей. Три из электрослабых частиц (обе W и Z) начали взаимодействовать с полем Хиггса и получили массу, а фотон так и остался без массы. Теперь, поскольку поведение частиц W и Z стало так разительно отличаться от поведения фотона, мы вынуждены дать взаимодействию новое название – слабое взаимодействие. Вроде бы получилась славная история с хорошим концом – если бы не одна малость.

Чтобы убедиться в том, что две настолько разные силы можно объединить, нужно убедительное доказательство. Теория электрослабого взаимодействия не безупречна. Нельзя взять и сочинить историю, а потом надеяться, что все в нее так сразу и поверят. Одно из самых солидных предсказаний электрослабой теории – соотношение масс частиц W и Z. Было предсказано, что частицы Z на 13 % тяжелее частиц W, – и это экспериментально подтвердилось, причем до смешного точно.

Слабое место состоит в том, что если мы хотим, чтобы все это имело смысл, следует допустить, что поле Хиггса действительно существует. Иначе электромагнитные и слабые поля были бы до сих пор едины. Второй вариант – эта теория совершенно ошибочна, и нам нужно начинать с нуля. Однако, чтобы сохранить коллективный рассудок, предположим на минуту, что поле Хиггса существует. В этом случае, как и в случае всех остальных полей, маленькие кусочки поля Хиггса должны наблюдаться в виде частиц. Единственная сложность заключается в том, что «частица Хиггса» электрически нейтральна (а значит, при нормальных обстоятельствах ее трудно заметить) и крайне массивна (а значит, ее трудно создать в коллайдере, а если удастся, она очень быстро распадется).

Насколько она массивна, мы не знаем, но если бы она была легкой, мы бы давно ее пронаблюдали, а если бы она была слишком массивной, то частицы W и Z имели бы другое соотношение масс. Эти два ограничения заставляют считать, что частица Хиггса должна быть в 120–200 раз тяжелее протона, и цель игры, кроме того, чтобы обнаружить частицу Хиггса как таковую, – вычислить, какова ее масса. Даже до БАК физики, работающие на коллайдере-теватроне лаборатории им. Ферми, в начале 2009 года показали, что масса частицы Хиггса не может быть в 170–180 раз больше массы протона.

Как же мы собираемся вытащить одну из этих негодниц из коллайдеров? До сих пор мы говорили о столкновениях протонных пучков, но на самом деле есть занятие поинтереснее, чем сталкивать протоны. Когда частицы разгоняются, они набирают очень много энергии. Но когда встречаются два протона, сталкиваются не сами протоны, а их податливое содержимое.

Кварки и глюоны внутри каждого протона набирают во время пути вокруг коллайдера много энергии, и именно столкновение глюона с глюоном и высвобождает большое количество энергии, из которой создаются гигантские частицы вроде частицы Хиггса.

Почти все это мы додумали – или, лучше сказать, сделали крайне схематичный набросок, основанный на том, что нам известно. Нам известно, что эти частицы никогда не были засвидетельствованы ни в одном ускорителе частиц, однако в БАК можно будет проводить эксперименты с небывало высокими энергиями. Это значит, что если в предыдущих ускорителях мы уже исследовали нижнюю часть спектра масс, то теперь сможем искать самые массивные из частиц Хиггса, предсказываемых теорией. И мы уверены, что если столкнуть два кварка с достаточно высокой энергией, в результате реакции появится частица Хиггса.

Если она существует.