Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Парвая особенность, вы можете всегда влезть в патоку, вытащить шарик для пинг-понга и посмотреть, как уменьшится его сопротивление ускорению. Это не верно для частиц. Мы уверены, что в настоящее время океан Хиггса заполняет все пространство, так что нет способа удалить частицы из-под его влияния; все частицы имеют массы независимо от того, где они находятся. Вторая особенность, патока сопротивляется любому движению, тогда как Хиггсово поле сопротивляется только ускоренному движению. В отличие от того, как шарик для пинг-понга движется через патоку, частица, двигаясь через внешнее пространство с постоянной скоростью, не будет замедляться за счет "трения" с Хиггсовым океаном. Вместо этого ее движение будет продолжать оставаться неизменным. Только когда мы постараемся разогнать или затормозить частицу, Хиггсово поле проявит свое присутствие через силу, которую мы прикладываем. Третья особенность, когда это касается привычной материи, составленной из скоплений фундаментальных частиц, имеется другой важный источник массы. Кварки, составляющие протоны и нейтроны, удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием: глюоны (частицы-переносчики сильного взаимодействия) струятся между кварками, "склеивая" их вместе. Эксперименты показывают, что эти глюоны имеют высокую энергию, а поскольку соотношение Эйнштейна Е = mc² говорит нам, что энергия (Е) 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 фундаментальным частицам, 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 особых разновидностей 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 (именуемых верхним и нижним кварками: протон состоит из двух верхних (up) и одного нижнего (down); а нейтрон из двух нижних и одного верхнего), за годы экпериментаторы, используя атомные столкновения, открыли четыре других вида кварков, чьи массы охватывают широкий диапазон от 0,0047 до 189 масс протона. Физики уверены, что объяснение разнообразия масс заключается в том, что различные виды частиц взаимодействуют с океаном Хиггса более или менее сильно. Если частица двигается плавно через океан Хиггса с малым взаимодействием или без такового, то сопротивление будет мало или будет отсутствовать и частица будет иметь малую массу или не будет иметь массы. И наоборот, если частица существенно взаимодействует с океаном Хиггса, она будет иметь более высокую массу. Самый тяжелый кварк (именуемый вершинный (top) кварк) с массой около 350 000 масс электрона взаимодействует с Хиггсовым океаном в 350 000 раз сильнее электрона; он намного труднее ускоряется через океан Хиггса, и в этом причина, что он имеет большую массу. Если мы сравним массу частицы с известностью личности, то океан Хиггса будет подобен папарацци: те, кто неизвестен, проходят через толпящихся фотографов с легкостью, но видные политики и кинозвезды проталкиваются к своей цели с большим трудом. [9]

9. Я благодарю Рафаэля Каспера за указание, что это описание является вариацией призовой метафоры профессора Дэвида Миллера, предъявленной в ответ на требование Британского министра науки Вильяма Вальдеграве Британскому физическому обществу в 1993 объяснить, почему деньги налогоплательщиков должны быть использованы на поиски частицы Хиггса.

Это дает прекрасную основу для размышлений о том, почему одна частица имеет массу, отличную от другой, но на сегодняшний день нет фундаментальных объяснений для точного способа, которым каждый из известных видов частиц взаимодействует с океаном Хиггса. В результате нет фундаментального объяснения, почему известные частицы имеют индивидуальные массы, которые обнаруживаются экспериментально. Однако, большинство физиков уверено, что если бы не было Хиггсова океана, все фундаментальные частицы были бы подобны фотону и совсем не имели бы массы. Фактически, как мы теперь видим, вещи могли бы быть такими в ранние моменты вселенной.

Объединение в охлаждающейся вселенной

В то время, как газообразный пар конденсируется в жидкую воду при 100 градусах Цельсия, а жидкая вода замерзает в твердый лед при 0 градусов Цельсия, теоретические изыскания показали, что Хиггсово поле конденсируется в ненулевую величину при миллионе миллиардов (10¹⁵) градусов. Это почти в 100 миллионов раз превышает температуру в центре Солнца, и это температура, до которой, как мы уверены, вселенная остыла примерно к одной сотой миллиардной (10^–11) доле секунды после Большого взрыва. Предшествующие 10^–11 секунды после Большого взрыва Хиггсово поле флуктуировало вверх и вниз, но имело нулевую среднюю величину; как и вода выше 100 градусов Цельсия, при таких температурах океан Хиггса не мог быть сформирован, поскольку было слишком жарко. Океан испарился бы немедленно. А без Хиггсова океана не было сопротивления ускоренному движению, которому подвергнуты частицы (папарацци исчезли), что подразумевает, что все известные частицы (электроны, up- и down-кварки и остальные) имели одинаковую массу: нуль.

Это наблюдение частично объясняет, почему формирование океана Хтггса описывается как космологический фазовый переход. В фазовых переходах от пара к воде и от воды ко льду происходят две существенные вещи. Имеется существенное качественное изменение во внешнем виде объекта, и фазовый переход сопровождается уменьшением симметрии. Мы видим те же две особенности при формировании Хиггсова океана. Первое, произошло существенное качественное изменение: виды частиц, которые были безмассовыми, внезапно приобрели ненулевые массы – массы, которые эти виды частиц имеют и сейчас. Второе, это изменение сопровождалось уменьшением симметрии: до формирования Хиггсова океана все частицы имели одинаковую – нулевую – массу, что является высокосимметричным состоянием дел. Если бы вы поменяли массу одного вида частиц на массу другого, никто бы не узнал, поскольку все массы были одинаковыми. Но после конденсации океана Хиггса массы частиц превратились в ненулевые – и не равные – величины, так что симметрия между массами была потеряна.

Фактически, уменьшение симметрии, возникнув из формирования океана Хиггса, является еще более всеобъемлющим. Выше 10¹⁵ градусов, когда Хиггсово поле еще не сконденсировалось, безмассовыми являются не только все виды фундаментальных частиц материи, то также, без тормозящего сопротивления от океана Хиггса, и все виды частиц сил. (Сегодня W и Z частицы – переносчики слабого ядерного взаимодействия – имеют массы около 86 и 97 масс протона). И, как впервые было открыто в 1960е Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, безмассовость частиц всех сил сопровождалась другой, фантастически красивой симметрией.

В конце 1800х Максвелл осознал, что электричество и магнетизм, хотя они некогда воспринимались как две полностью различные силы, на самом деле являются различными аспектами одной и той же силы – электромагнитной силы (см. Главу 3). Его труд показал, что электричество и магнетизм дополняют друг друга; они представляют собой Инь и Янь более симметричного объединенного целого. Глэшоу, Салам и Вайнберг открыли следующую главу в этой истории объединения. Они осознали, что перед тем, как сформировался Хиггсов океан, не только все частицы сил имели одинаковую массу – нуль, – но и фотоны, и W- и Z- частицы были идентичны еще и в существенно другом смысле. [10] Точно так же, как снежинка не меняется при отдельных поворотах, которые меняют местами положения ее лучей, физические процессы в отсутствие океана Хиггса не будут меняться при отдельных взаимозаменах частиц электромагнитных и слабых ядерных сил – при отдельных взаимных заменах фотонов и W- и Z- частиц. И также, как нечувствительность снежинки к поворотам отражает симметрию (вращательную симметрию), нечувствительность к взаимозаменам этих частиц также отражает симметрию, одну из тех, которая по техническим причинам называется калибровочной симметрией. Она имеет глубокие следствия. Поскольку эти частицы передают соответствующие им силы (взаимодействия), – они являются частицами-переносчиками их сил, – симметрия между ними означает, что была симметрия между силами. Следовательно, при достаточно высокой температуре, температуре, которая испарила бы сегодняшний заполненный Хиггсовым полем вакуум, нет различия между слабыми ядерными силами и электромагнитными силами. Достаточно высокая температура означает, что океан Хиггса испаряется; если это сделано, разница между слабыми и электромагнитными силами испаряется тоже.

10. Склонный к математике читатель должен отметить, что фотоны, и W, и Z бозоны описываются в электрослабой теории как лежащие в присоединенном представлении группы SU(2) x U(1), а потому обмениваются под действием преобразований этой группы. Более того, уравнения электрослабой теории обладают полной симметрией относительно преобразований этой группы, что является в этом смысле тем, что мы описываем частицы сил как взаимосвязанные. Более точно, в электрослабой теории фотон является особой смесью калибровочного бозона, проявляющего U(1) симметрию, и U(1) подгруппы SU(2); таким образом, он тесно связан со слабым калибровочным бозоном. Однако, вследствие структуры произведения групп симметрии четыре бозона (на самом деле два W-бозона с противоположными электрическими зарядами) не полностью смешиваются под ее действием. Тогда в этом смысле слабое и электромагнитное взаимодействия являются частью единой математической схемы, но такой, которая не столь полно унифицирована, как могло бы быть. Если включить сильные взаимодействия, группа пополнится путем включения SU(3) фактора – "цвета" SU(3) – и эта группа, имея три независимых фактора, SU(3) х SU(2) x U(1), только подчеркивает дальше отсутствие полного единства. Такова часть мотивировки великого объединения, обсужденного в следующей секции: великое объединение обращается к единственной, полупростой группе (Ли), – группе с единственным фактором, – которая описывает силы на больших масштабах энергии.

Глэшоу, Вайнберг и Салам расширили открытие Максвелла столетней давности, показав, что электромагнитные и слабые ядерные силы на самом деле являются частью одной и той же силы. Они объединили описание этих двух сил в то, что сейчас называется электрослабой силой.

Симметрия между электромагнитными и слабыми силами не проявляется сегодня, поскольку по мере охлаждения вселенной сформировался Хиггсов океан и – это существенно – фотоны и W- и Z- частицы взаимодействуют с конденсированным Хиггсовым полем по-разному. Фотоны проносятся через океан Хиггса так же легко, как второсортный киноартист легко прошел бы сквозь папарацци, и, следовательно, остаются безмассовыми. Однако, W- и Z- частицы, как Билл Клинтон и Мадонна, с трудом прокладывают свой путь, приобретая массы в 86 и 97 масс протона, соответственно. (Замечание: Эта аналогия не соблюдает масштаб). Таким образом, электромагнитные и слабые ядерные силы становятся столь отличными в мире вокруг нас. Лежащая в основании симметрия между ними "нарушена" или скрыта Хиггсовым океаном.

Это действительно захватывающий дух результат. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, – электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, – являются фундаментально частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого Хиггсова поля, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, что мы обычно мыслим как пустое пространство, – вакуум, пустота, – играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при росте температуры достаточно высоко, чтобы Хиггсово поле испарилось, – то есть, приобрело нулевое среднее значение во всем пространстве, – может быть сделана видимой полная симметрия, лежащая в основании законов природы.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W- и Z- частицы еще не были открыты экспериментально. Была сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии, что дало им уверенность идти вперед. Их отвага оказалась хорошо обоснованной. Через некоторое время W- и Z- частицы были открыты и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за внешними явлениями, – всмотревшись сквозь скрывающий суть туман пустоты, – проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырех сил природы. В 1979 им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я время от времени случайно натыкался на моего ведущего консультанта, физика Говарда Джорджи. Я никогда не имел, что сказать, но это почти не имело значения. Всегда было так, что Джорджи легко было спровоцировать поделиться чем-либо с интересующимся студентами. Как-то раз, в особенности, Джорджи был специально спровоцирован и он быстро воодушевленно говорил больше часа, заполняя меловую доску еще некоторое время после символами и уравнениями. На всем протяжении я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я почти не понимал ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки открытия, которое он сделал, названного великим объединением.