Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

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] 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 большую 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?

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}

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.

Объединение в охлаждающейся Вселенной

В то время как газообразный пар конденсируется в жидкую воду при 100°C, а жидкая вода замерзает в твёрдый лёд при 0°C, теоретические изыскания показали, что поле Хиггса конденсируется в ненулевую величину при миллионе миллиардов (10 ¹⁵) градусов. Это почти в 100 млн раз превышает температуру в центре Солнца, и это то значение, до которого, как мы думаем, температура Вселенной упала примерно к одной сотой от миллиардной (10 ^{– 11}) доли секунды после Большого взрыва. До момента 10 ^{– 11}с после Большого взрыва поле Хиггса сильно флуктуировало, но имело нулевую среднюю величину; как вода выше 100°C не может сконденсироваться, так и океан Хиггса при таких температурах не мог сформироваться, поскольку было слишком жарко. Океан немедленно испарился бы. Но без Хиггсова океана сопротивления ускоренному движению, которому подвергаются частицы, не было (папарацци исчезли), что означает, что все известные частицы (электроны, u– кварки, d– кварки и остальные) имели одинаковую массу: нуль.

Это наблюдение частично объясняет, почему возникновение океана Хиггса описывается как космологический фазовый переход. Фазовые переходы от пара к воде и от воды ко льду сопровождаются двумя важными процессами: происходит качественное изменение во внешнем виде объекта и фазовый переход сопровождается уменьшением симметрии. Мы видим те же две особенности при формировании океана Хиггса. Во-первых, произошли существенные качественные изменения: те типы частиц, которые были безмассовыми, внезапно приобрели ненулевые массы — массы, которые они имеют и сейчас. Во-вторых, это изменение сопровождалось уменьшением симметрии: до формирования океана Хиггса все частицы имели одинаковую — нулевую — массу, что является высокосимметричным состоянием. Если бы вы поменяли массу частиц одного типа на массу частиц другого типа, никто бы этого не заметил, поскольку все массы были одинаковыми. Но после конденсации океана Хиггса массы частиц получили ненулевые — и не равные — величины, так что симметрия между массами была нарушена.

Фактически, уменьшение симметрии при возникновении океана Хиггса является ещё более широким. Выше 10 ¹⁵градусов, когда поле Хиггса ещё не сконденсировалось, безмассовыми являются не только все виды фундаментальных частиц материи, но также, без сопротивления океана Хиггса, безмассовыми являются и все частицы — переносчики сил. (Сегодня W- и Z-частицы — переносчики слабого ядерного взаимодействия — имеют массы около 86 и 97 масс протона.) И, как впервые было открыто в 1960-е гг. Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, безмассовость частиц всех сил сопровождалась другой, потрясающе красивой симметрией.