Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   66


Обсуждая вместе поля материи и поля сил (взаимодействий), вы можете подумать, что мы охватили все. Но имеется общее согласие, что изложение истории до сих пор не вполне завершено. Многие физики твердо уверены, что еще имеется третий тип полей, который никогда экспериментально не наблюдался, но который в течение последней пары десятилетий играл стержневую роль как в новейших космологических теориях, так и в физике элементарных частиц. Он называется полем Хиггса в честь шотландского физика Петера Хиггса.[5] И если идеи из следующей секции правильны, вся вселенная пронизана океаном Хиггсовых полей, – холодным следом Большого взрыва, – который отвечает за многие свойства частиц, составляющих меня, вас и что угодно другое, с чем мы постоянно сталкиваемся.


Поля в охлаждающейся вселенной


Поля реагируют на температуру сильнее, чем обычная материя. Чем выше температура, тем более яростно будет волноваться вверх и вниз величина поля – подобно поверхности быстро закипающего котелка воды. При холодных температурных характеристиках глубокого пространства сегодня (2,7 градуса выше абсолютного нуля или, как обычно обозначают, 2,7 Кельвинов) или даже при более теплых температурах здесь на Земле, волнения полей ничтожны. Но температуры сразу после Большого взрыва были столь огромны, – через 10–43 секунды после Взрыва температура оценивается величиной около 1032 Кельвинов, – что все поля неистово вздымались туда и сюда.


Раз вселенная расширяется и охлаждается, начальная гигантская плотность материи и излучения неуклонно падает, безбрежные просторы вселенной становятся все более пустыми, и волнения полей становятся все более ослабленными. Для большинства полей это означает, что их величина, в среднем, стремится к нулю. В некоторый момент величина отдельного поля может слабо подняться выше нуля (пик), а моментом позже она может слабо опуститься ниже нуля (впадина), но в среднем величина большинства полей приближается к нулю – величине, которую мы интуитивно ассоциируем с отсутствием чего-либо или с пустотой.


Именно тут появляется поле Хиггса. Исследователи пришли к пониманию, что есть множество полей, которые имели свойства, сходные с другими полями при обжигающе высоких температурах сразу после Большого взрыва: они дико флуктуировали вверх и вниз. Но исследователи уверены, что (точно так же, как пар конденсируется в жидкую воду, когда его температура существенно падает) когда температура вселенной существенно упала, Хиггсово поле сконденсировалось в особую ненулевую величину по всему пространству. Физики говорят об этом как о формировании ненулевой величины вакуумного среднего Хиггсова поля – но, чтобы упростить технический жаргон, я буду говорить об этом как о формировании Хиггсова океана.


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


Но если чаша имеет иную форму, как на Рис. 9.1с, события будут раскручиваться иначе. Представьте опять, что чаша сначала очень горяча и что куча червей все еще лежит в центре чаши, но теперь он приподнят центральной выпуклостью. Если вы бросаете лягушку, она опять будет дико прыгать так и сяк, оставаясь в неведении относительно приза, возвышающегося на центральном плато. Теперь, когда чаша остынет, лягушка опять будет затихать, уменьшать свои прыжки, и сползет вниз по скользкому боку чаши. Но из-за новой формы лягушка никогда не достигнет центра чаши. Вместо этого она сползет в выемку чаши и останется на расстоянии от кучи червей, как показано на Рис. 9.1d.


----


(а) (b)


Рис 9.1 (а) Лягушка, брошенная в горячую металлическую чашу, постоянно прыгает по ней, (b) когда чаша остывает, лягушка успокаивается, прыгает много меньше и скатывается вниз к середине чаши.


----


(c) (d)


Рис 9.1 (c) Как и в (а), но с горячей чашей иной формы, (d) как и в (b), но теперь, когда чаша остывает, лягушка сползает вниз в выемку, которая находится на некотором расстоянии от центра чаши (где сосредоточены черви).


Если мы представим, что расстояние между лягушкой и кучей червей представляет величину поля, – чем дальше лягушка от червей, тем больше величина поля, – а высота положения лягушки представляет энергию, содержащуюся в такой величине поля, – чем выше лягушка может быть в чаше, тем большую энергию содержит поле, – тогда эти примеры хорошо передают поведение полей, когда вселенная охлаждается. Когда вселенная горяча, поля дико прыгают от величины к величине, почти как лягушка прыгает с места на место в чаше. Когда вселенная охлаждается, поля "успокаиваются", прыгают менее часто и менее безумно и их величина сползает вниз к меньшей энергии.


Но здесь есть одно обстоятельство. Как и в примере с лягушкой, тут есть возможность двух качественно разных исходов. Если форма энергии поля – чаша, – это так называемая потенциальная энергия поля, – подобна Рис. 9.1а, величина поля во всем пространстве будет сползать всеми способами вниз к нулю, к центру чаши, точно так же, как лягушка любым путем сползает к куче червей. Однако, если потенциальная энергия выглядит подобно Рис. 9.1с, величина поля не будет любым путем достигать нуля, центра энергетической чаши. Вместо этого, точно так же, как лягушка сползет вниз в выемку, которая находится на ненулевом расстоянии от кучи червей, величина поля также сползет вниз в выемку, – ненулевое расстояние от центра чаши, – что означает, что поле будет иметь ненулевую величину.[6] Последнее поведение является характеристикой Хиггсовых полей. Когда вселенная остывает, величина Хиггсова поля захватывается во впадине и никогда не становится нулевой. А поскольку то, что мы описываем, будет происходить однородно во всем пространстве, вселенная будет пропитана однородным и ненулевым Хиггсовым полем – Хиггсовым океаном.


Причина того, что это происходит, проливает свет на фундаментальную специфику Хиггсовых полей. Когда область пространства становится все холоднее и пустыннее, – когда материя и излучение становятся все более редкими, – энергия в области становится все более низкой. Доведя это до предела, вы знаете, что вы можете достигнуть пустейшей области пространства, когда вы понизите ее энергию настолько, насколько это возможно. Для обычных полей, наполняющих область пространства, их вклад в энергию наименьший, когда их величина любым путем сползет вниз к центру чаши, как на Рис. 9.1b; они имеют нулевую энергию, когда их величина равна нулю. Это имеет хороший интуитивный смысл, поскольку мы ассоциируем опустошение области пространства с выбором чего угодно, включая полевые величины, равным нулю.


Но для Хиггсова поля дела обстоят иначе. Точно так же, как лягушка может достичь центрального плато на Рис. 9.1с и сократить до нуля расстояние до кучи червей только если она имеет достаточно энергии, чтобы подпрыгнуть из окружающей плато выемки, Хиггсово поле может достичь центра чаши и стать нулевым по величине только если оно запасло достаточно энергии, чтобы преодолеть центральную выпуклость чаши. Если, напротив, лягушка имеет мало или совсем не имеет энергии, она сползет в выемку на Рис. 9.1d – на ненулевую дистанцию от кучи червей. Аналогично, Хиггсово поле с малой энергией или без энергии также сползет в выемку чаши – на ненулевую дистанцию от центра чаши – и отсюда оно будет иметь ненулевую величину.


Чтобы заставить поле Хиггса иметь нулевую величину, – величину, которая кажется наиболее близкой к тому, когда вы можете подойти к полному удалению полей из области пространства, величине, которая кажется наиболее близкой к тому, когда вы можете подойти к состоянию пустоты, – вы должны повысить его энергию и, с точки зрения энергии, область пространства будет не столь пуста, как она, возможно, могла бы быть. Даже если это звучит противоречиво, удаление Хиггсова поля, – то есть, уменьшение его величины до нуля, – равносильно добавлению энергии в область. В качестве грубой аналогии подумаем об одних из тех необычных уменьшающих помехи наушников, которые производят волны звука, чтобы прекратить волны, приходящие из окружающей среды, которые, в противном случае, будут посягать на ваши барабанные перепонки. Если наушники работают идеально, вы слышите тишину, когда они производят свой звук, но вы слышите рассеянный шум, если вы выключите их. Исследователи пришли к уверенности, что точно так же, как вы слышите меньше, когда наушники наполнены звуком, на производство которого они запрограммированы, так и холодное пустое пространство скрывает настолько мало энергии, насколько это возможно, – оно настолько пусто, насколько это может быть, – когда оно наполнено океаном Хиггсова поля.


Процесс получения Хиггсовым полем ненулевой величины во всем пространстве, – процесс формирования Хиггсова океана, – называется спонтанным нарушением симметрии* и является одной из наиболее важных идей, появившихся в теоретической физике последних десятилетий двадцатого века. Давайте посмотрим, почему.


(*) "Терминология не особенно важна, но коротко укажем, откуда она происходит. Выемка на Рис. 9.1с и 9.1d имеет симметричную форму – она круговая – с каждой точкой, эквивалентной любой другой (каждая точка выемки обозначает величину Хиггсова поля с минимальной возможной энергией). Кроме того, когда величина Хиггсова поля сползает вниз в чашу, она располагается в одной особой точке в круговой выемке, таким образом "спонтанно" выбирает одно положение в выемке как специальное. Теперь все точки в выемке не являются больше одинаково равноправными, поскольку одна отмечена, так что поле Хиггса уничтожает или "нарушает" исходную симметрию между ними. Так что, совмещая все слова вместе, процесс, в котором поле Хиггса сползает к одной особой ненулевой величине в выемке, назван спонтанным нарушением симметрии. Далее в тексте мы опишем более заметные аспекты уменьшения симметрии, связанного с таким формированием океана Хиггса."[7]


Океан Хиггса и происхождение массы


Если поле Хиггса имеет ненулевую величину, – если мы все погружены в океан Хиггсова поля, – то не должны ли мы его чувствовать или видеть или иным образом быть осведомлеными о нем неким образом? Безусловно. И современная физика утверждает, что мы это делаем. Возьмите вашу руку и покачайте ее вперед и назад. Вы можете почувствовать работу ваших мукулов, двигающих массу вашей руки влево, вправо и опять назад. 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 попытке заставить его двигаться; более точно, масса представляет сопротивление объекта изменению его движения – ускорению – подобному тому, как сначала мы двигаемся влево, потом вправо, а потом влево опять. Но откуда происходит это сопротивление тому, чтобы быть ускоренным? Или, говоря физически, что дает объекту его инерцию?


В Главах 2 и 3 мы сталкивались с различными предложениями Ньютона, Маха и Эйнштейна, выдвинутыми в качестве частичных ответов на этот вопрос. Эти ученые 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 удаленные звезды; а для Эйнштейна это было сначала абсолютное пространство-время (в СТО), а затем гравитационное поле (в ОТО). Но однажды очертив стандарт покоя и, в особенности, установив начало отсчета для определения ускорений, ни один из этих ученых не сделал следующий шаг к объяснению, почему объекты сопротивляются ускорению. То есть, никто из них не определил механизм, с помощью которого объект приобретает свою массу – свою инерцию – свойство, которое борется с ускорениями. С помощью поля Хиггса физики теперь предложили ответ.


Атомы, которые составляют вашу руку, и шар для боулинга, который вы можете поднять, все они сделаны из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, как обнаружили экспериментаторы в конце 1960-х, каждый составлен из трех более мелких частиц, известных как кварки. Так что, когда вы махаете своей рукой туда и сюда, вы на самом деле размахиваете туда и сюда всеми составляющими кварками и электронами, что подводит нас к существу дела. Океан Хиггса, в который, как заявляет современная теория, мы все погружены, взаимодействует с кварками и электронами: он мешает их ускорениям почти так же, как чан с патокой сопротивляется движению шарика для пинг-понга, который туда опущен. И это сопротивление, это торможение мельчайших составляющих дает вклад в то, что вы ощущаете как массу вашей руки и шара для боулига, 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 против сопротивления океана Хиггса.[8]


Аналогия с патокой хорошо ухватывает некоторые аспекты Хиггсова океана. Чтобы ускорить шарик для пинг-понга, опущенный в патоку, вам нужно толкать его более сильно, чем когда вы играете с ним на теннисном столе, – он будет сопротивляться вашим попыткам изменить его скорость более сильно, чем он делает это вне патоки, так что он ведет себя так, как будто погружение в патоку увеличило его массу. Аналогично, в результате своих взаимодействий с вездесущим океаном Хиггса элементарные частицы сопротивляются попыткам изменить их скорость – они приобретают массу. Однако, аналогия с патокой имеет три вводящих в заблуждение особенности, о которых вы должны быть осведомлены.


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]


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.