Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
До появления Эйнштейна и его теории относительности многие физики считали, что электромагнитные волны – колебания среды под названием «эфир». Они даже попробовали обнаружить эфир, попытавшись измерить изменения в скорости света в зависимости от его движения относительно движения эфира. Казалось бы, если свет распространяется в том же направлении, что и эфир, он должен двигаться быстрее, а если навстречу эфиру – медленнее. Но ученые никаких различий не обнаружили. Понадобился гений Эйнштейна, чтобы понять: в концепции эфира нет необходимости, и скорость света в пустом пространстве постоянна. Эфир для поддержания электромагнитного поля не нужен – оно может просто существовать само по себе.
Появляется искушение считать, что поле Хиггса – это тот же эфир, невидимое поле, в котором распространяются волны. Правда, это другие волны – бозоны Хиггса, а не электромагнитные волны. Действительно, в чем-то эти понятия схожи, так как поле Хиггса тоже заполняет пространство, а бозоны Хиггса являются колебаниями этого поля. Но этому искушению не следует поддаваться. Весь смысл эфира состоял в том, что имело значение, с какой скоростью вы движетесь относительно него – он определял состояние покоя для пустого пространства. А с полем Хиггса все наоборот – скорость вообще не имеет никакого значения. Теория относительности остается незыблемой.
Перевернутый маятник
Как мы узнали в предыдущей главе, Вселенная состоит из полей. Но большинство этих полей в пустом пространстве выключены – их значения равны нулю. Частица – это небольшое колебание в поле, сгусток энергии, возникающий тогда, когда поле отклонилось от своего естественного значения. С полем Хиггса все не так – оно имеет ненулевое значение даже в пустом пространстве. Это определенное фиксированное значение оно принимает абсолютно везде, а соответствующая ему частица, бозон Хиггса – колебание поля относительно этого значения, а не относительно нуля. Что же делает поле Хиггса таким непохожим на остальные поля?
Все это связано с энергией. Представьте себе мяч, покоящийся на вершине холма. У него есть свойство, которое физики называют «потенциальной энергией» и которое означает, что, даже ничего не делая, просто спокойно оставаясь там, он обладает способностью освободится от этой энергии, если мы позволим ему скатиться вниз по склону. Если это произойдет, он наберет скорость, постепенно превращая свою потенциальную энергию в энергию движения. Но, катясь вниз, он по дороге может столкнуться с другими предметами, ему придется преодолеть сопротивление воздуха, он будет производить шум, и все это приводит к рассеиванию энергии. К тому времени, когда мяч достигнет подножия холма, вся его начальная энергия превратится в звук и тепло, и он не разгонится, а наоборот – остановится.
Поля ведут себя похожим образом. Если столкнуть их с их любимого состояния покоя, это придаст им потенциальную энергию. Если их отпустить, они начнут колебаться и в конечном итоге могут рассеять свою энергию, передав ее другим полям. В конечном итоге они вернутся обратно в состояние покоя. Особенность поля Хиггса в том, что его состояние покоя находится совсем не на нуле – самое низкое энергетическое состояние находится при величине поля 246 ГэВ. Это значение мы определяем из эксперимента, так как оно определяет величину слабого взаимодействия.
Энергия 246 ГэВ – не масса бозона Хиггса (его масса равна примерно 125 ГэВ, и она оставалась неизвестной до тех пор, пока на БАКе его не нашли), это значение поля в пустом пространстве. Как уже говорилось, в физике элементарных частиц принято измерять все в одних и тех же единицах ГэВ, что может иногда привести к путанице. Масса бозона Хиггса (как и масса любого другого объекта) показывает, сколько энергии мы должны затратить на то, чтобы он стал двигаться, если мы толкнем его. Иначе говоря, это та энергия, которую мы должны влить в колебание поля, чтобы это колебание проявилось в виде дискретной частицы. Величина поля – это совсем другая характеристика, она показывает, что поле делает, когда находится в полном покое.
Чтобы разобраться, почему поле Хиггса флуктуирует не вблизи нуля, а вблизи значения 246 ГэВ, полезно представить себе маятник, подвешенный к потолку. Он ведет себя как обычное поле – в состоянии с самой низкой энергией находится в вертикальном положении, его конец направлен вниз. Мы можем придать ему дополнительную энергию, вытолкнув его из этой позиции, и если мы не будем его удерживать, он начнет свободно колебаться туда-сюда и в конце концов остановится, поскольку потратит свою энергию на преодоление сопротивления воздуха и трение.
А теперь представим себе перевернутый маятник, конец которого прикреплен к полу, а не к потолку. Это похожее устройство, но теперь оно ведет себя совершенно иначе. Перевернутый маятник, наоборот, имеет наибольшую энергию, когда располагается вертикально, тогда как раньше в этой конфигурации у него была наименьшая энергия. У такого маятника есть две позиции с наименьшей энергией: одна, в которой маятник лежит на полу слева от точки крепления, и одна – на полу справа. Если маятник предоставить самому себе, он опустится на пол и займет либо одну, либо другую позицию.
Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник: для того, чтобы ему принять нулевое значение, нужно приложить энергию. Его состояние с самой низкой энергией – такое, при котором поле везде равно некоторому фиксированному значению, так же как маятник находится в самом низком энергетическом состоянии, когда его конец направлен влево или вправо от точки крепления. Вот почему пустое пространство заполнено полем Хиггса, при движении через которое другие частицы набирают массу – просто это конфигурация с наименьшей энергией. Поля можно сравнить со смещением маятников от вертикали – обычное поле (и обычный маятник) стремится к нулевому значению, в то время как поле Хиггса стремится к ненулевому значению с наименьшей энергией, подобно тому как перевернутый маятник стремится улечься на левый или на правый бок.
Обычное поле можно сравнить с маятником, подвешенным к потолку. Минимальная энергия у маятника тогда, когда он находится в состоянии покоя, и его конец направлен прямо вниз. Мы можем вывести его из такого состояния, но это потребует энергии. Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник с точкой крепления не на потолке, а на полу. Теперь состояние с минимальной энергией – то, в котором маятник лежит на полу – справа или слева относительно точки крепления, а чтобы привести его в вертикальное положение, нужно затратить энергию.
Конечно, мы можем задаться вопросом, почему этот «маятник Хиггса» перевернутый, а не обычный. На самом деле ответа никто не знает. Есть некоторые предположения, которые основываются на физических теориях, выходящих далеко за рамки Стандартной модели, но при современном состоянии знаний нам не остается ничего другого, как считать это просто данностью. Поле Хиггса в пустом пространстве могло принять ненулевое значение, а могло и не принять, обе возможности ничему не противоречат, но оказалось, что в нашем мире оно решило стать не нулевым. И это хорошо, потому что в противном случае наш мир выглядел бы намного менее интересным (и не только для физиков элементарных частиц).
Наделение частиц массой
Важно не то, что поле Хиггса заполняет пустое пространство; мы даже не заметили бы его отсутствия, если бы оно не взаимодействовало с другими частицами. И самое главное следствие этого взаимодействия – «наделение массой» элементарных частиц Стандартной модели. Эта концепция достаточно тонкая, так что стоит потратить на нее некоторое время. (Более подробно о том, как это все устроено, см. в Приложении 1.)
В первую очередь мы должны определить, что такое «масса» объекта. Наверное, лучший способ – сказать, что масса характеризует то, «насколько сильное сопротивление мы чувствуем, толкая этот объект», или, другими словами: масса – это то, «сколько энергии нужно затратить, чтобы разогнать объект до определенной скорости». Автомобиль имеет намного большую массу, чем велосипед, и это нам понятно, потому что приходится затратить гораздо больше усилий на то, чтобы сдвинуть с места автомобиль, чем велосипед. Есть и другое определение массы как «количества энергии, которое объект имеет в состоянии покоя». Оно следует из уравнения Эйнштейна E = mc². Обычно мы читаем это уравнение наоборот, то есть оно дает нам возможность узнать, сколько энергии спрятано в объекте с определенной массой, но мы можем считать это и определением массы неподвижного объекта.
Важно подчеркнуть, что масса вообще не имеет прямого отношения к гравитации. Мы привыкли связывать эти два понятия, потому что самый простой способ измерить массу чего-то – взвесить, положив на весы, поскольку, как мы все знаем, именно гравитация тянет вниз чашу весов. Вовне, в пустом пространстве, где гравитации почти не чувствуется, все предметы становятся невесомыми, но они тем не менее имеют массу. Труднее сдвинуть с места массивный космический корабль, чем крошечный камешек, и еще труднее столкнуть с места Луну и планеты. Гравитация (или вес) – это нечто иное, что влияет не только на массивные объекты, но даже и на те, которые не имеют массы. Гравитация, как уже экспериментально установлено, влияет даже на свет, состоящий из безмассовых фотонов, что и было наглядно продемонстрировано с помощью явления гравитационных линз (искривления лучей галактиками и скоплениями темной материи).
