Страница 77 из 151
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 — переносчик электромагнитной 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 всей Земли), 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 взаимодействие и 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. 4.3б.{176} Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в подробности,{177} 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.{178} 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 10−43 с после Большого взрыва температура была около 1032K), 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 ненулевую величину 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. 9.1а, 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. 9.1б.
{176}
Одно различие между полями сил и материи выражается принципом исключения Вольфганга Паули. Этот принцип показывает, что, в то время как огромное количество частиц — переносчиков сил (вроде фотонов) могут объединяться, чтобы создать поля, понятные доквантовому физику, такому как Максвелл, — такие поля, которые вы видите всякий раз, когда заходите в тёмную комнату и включаете свет, но частицам материи в общем случае законы квантовой физики запрещают такое кооперирование согласованным, организованным способом. (Более точно, две частицы одного и того же типа, такие как два электрона, не могут иметь одинаковое состояние, тогда как для фотонов такого ограничения нет. Из-за этого поля материи в общем случае не имеют макроскопического, классического проявления.)
{177}
В схеме квантовой теории поля каждая известная частица выглядит как возбуждение определённого фундаментального поля, связанного с семейством, членом которого является частица. Фотоны есть возбуждения фотонного поля — т. е. электромагнитного поля; u-кварк является возбуждением поля u-кварков; электрон есть возбуждение электронного поля и т. д. Таким образом, вся материя и все силы описываются единым квантово-механическим языком. Однако оказалось, что очень трудно описать на этом языке все квантовые свойства гравитации, эту проблему мы будем рассматривать в главе 12.
{178}
Хотя поле Хиггса названо в честь Петера Хиггса, но жизненно важную роль в его появлении в физике и в его теоретическом исследовании сыграло большое число других физиков, среди них — Томас Киббл, Филип Андерсон, Роберт Браут и Франсуа Энглер.