Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
После того как 4 июля на БАКе объявили об открытии бозона Хиггса, были предприняты сотни попыток объяснить, что это все должно означать. Сложность проблемы состоит главным образом в том, что на самом деле интересен не столько сам бозон Хиггса, сколько поле Хиггса, которое порождает этот бозон. Из физики, точнее из квантовой теории поля – основного свода законов физиков элементарных частиц, которым ученые неукоснительно следуют, – известно, что все возможные частицы на самом деле возникают из полей. Но квантовой теории поля детей в средней школе не учат. И в популярных книгах по физике она не часто обсуждается. Мы рассказываем о частицах, квантовой механике и теории относительности, но редко вытаскиваем на поверхность лежащие в основе всех этих теорий волшебные свойства квантовой теории поля. Однако, когда речь заходит о бозоне Хиггса, избежать обсуждения решающей роли поля во всех этих процессах уже невозможно.
Когда ученые говорят о «поле», имеется в виду «что-то, что имеет некоторую величину в каждой точке пространства». Температура земной атмосферы является полем – в каждой точке на поверхности Земли (или на любой высоте над поверхностью) воздух имеет определенную температуру. Плотность и влажность атмосферы также являются полями. Но это не фундаментальные поля – это просто свойства самого воздуха. Электромагнитное или гравитационное поля, напротив, считаются фундаментальными. Они не сделаны ни из чего другого, они – то, из чего состоит мир. Согласно квантовой теории поля, абсолютно все сделано из одного поля или комбинации полей, а то, что мы называем «частицами», – крошечные колебания этих полей.
И здесь как раз выходит на сцену «квантовая» часть квантовой теории поля. Можно долго рассказывать о квантовой механике – возможно, самой таинственной теории из всех, когда-либо придуманных человеком, но нам понадобится от нее только одно простое заключение (но с которым так трудно смириться, что даже великий Эйнштейн его не принял): мир, на который мы смотрим, сильно отличается от того, каким он является на самом деле.
Физик Джон Уилер однажды поставил задачу: как наилучшим образом объяснить квантовую механику, используя не более пяти слов? В современном мире технически легко получить варианты ответов на любые вопросы, допускающие короткий ответ. Нужно просто отправить запрос в твиттер, размер сообщений в котором ограничивается 140 символами. Когда я задал в «Твиттере» этот вопрос о квантовой механике, лучший ответ прислал Аатиш Бхатия (@ aatishb): «Не смотришь – волны, смотришь – частицы». Это краткое изложение квантовой механики.
Каждая частица в составе Стандартной модели, если копнуть глубже, оказывается волной колебаний определенного поля. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – это колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве. Гравитоны – это колебания гравитационного поля, глюоны – колебания глюонного поля и так далее. Даже фермионы – частицы вещества – это колебания соответствующего фермионного поля. Существует поле электронов, поле верхних кварков и поля всех других видов частиц. Подобно тому как звуковые волны распространяются в воздухе, колебания распространяются в квантовых полях, и мы их наблюдаем в виде частиц.
Немного раньше мы упомянули о том, что частицы с малой массой занимают больше места, чем частицы с большими массами. Это происходит потому, что частицы на самом деле не маленькие шарики с однородной плотностью, а квантовые волны. Каждая волна имеет длину, и это дает нам общее представление о ее размерах. Длина волны еще и определяет ее энергию: чтобы создать волну с меньшей длиной, требуется больше энергии, так как ее частота больше, и волне приходится меняться от одной точки к другой быстрее. А масса, как давно научил нас Эйнштейн, это всего лишь форма существования энергии. Так что чем меньше масса, тем меньше энергия, тем больше длина волны, тем больше размер. А чем больше масса, тем больше энергия и тем меньше длина волны и меньше размеры.
Уходим от нуля
Поля в каждой точке пространства характеризуются некими величинами. В пустом пространстве эти величины, как правило, равны нулю. Под «пустым» мы подразумеваем то, что оно «настолько пустое, насколько возможно», или – более конкретно – «с минимальным возможным значением энергии». Согласно этому определению, в действительно пустом пространстве такие поля, как гравитационное и электромагнитное, принимают нулевое значение. Если они имеют ненулевое значение, значит, в них запасена энергия, и, следовательно, пространство уже не пустое. Конечно, согласно принципу неопределенности квантовой механики, во всех полях имеются крошечные колебания, но эти колебания происходят вокруг некоторого среднего значения, обычно равного нулю.
Поле Хиггса не такое. Хотя оно и напоминает другие поля и тоже может быть нулевым или принимать некоторое другое значение, поле это не хочет быть равным нулю – оно хочет принять определенное постоянное ненулевое значение везде во всей Вселенной. Энергия поля Хиггса имеет меньшую величину при ненулевом значении поля, чем при нулевом.
В результате пустое пространство оказывается заполненным полем Хиггса. Не сложным набором колебаний, которым соответствует набор отдельных бозонов Хиггса, а именно постоянным полем, составляющим постоянный фон. Это то самое вездесущее поле, которое есть в каждой точке Вселенной и которое делает слабое взаимодействие таким, как оно есть, и наделяет элементарные частицы-фермионы массой. Бозон Хиггса, обнаруженный на БАКе, является колебанием этого поля вокруг среднего значения.
Поскольку частица Хиггса бозон, она связана с силой природы. Две массивные частицы могут пролететь друг мимо друга и провзаимодействовать с помощью обмена бозонами Хиггса точно так же, как две заряженные частицы могут взаимодействовать друг с другом путем обмена фотонами. Но не сила Хиггса наделяет частицы массой, и не вокруг нее поднят весь этот шум. Поле Хиггса, присутствующее везде в качестве фона, – вот что дарит частицам массу. Именно оно обеспечивает среду, через которую движутся другие частицы, и в процессе этого движения влияет на их свойства.
Бозон Хиггса. Основная разница между полем Хиггса и другими полями в том, что его среднее значение в вакууме не равно нулю. Во всех полях из-за имеющихся в квантовой механике соотношений неопределенности возникают малые колебания. Большие колебания воспринимаются нами как частицы.
Перемещаясь в пространстве, мы оказываемся окружены полем Хиггса и движемся в нем. Подобно рыбе, плывущей в воде, мы обычно не замечаем этого поля, но именно оно привносит в Стандартную модель всю присущую ей таинственность.
Промежуточные итоги
Существует большая, глубокая и сложная физика, связанная с концепцией бозона Хиггса. Но прямо сейчас просто подытожим наши познания о том, как поле Хиггса работает и почему оно столь важно. Приступим сразу.
• Мир состоит из полей, пронизывающих все пространство, эти поля мы ощущаем по их колебаниям, которые воспринимаются нами как частицы. Большинство знакомо с электрическими и гравитационными полями, но в соответствии с квантовой теорией поля даже такие частицы, как электроны и кварки, на самом деле представляют собой колебания соответствующих полей.
• Бозон Хиггса есть колебание поля Хиггса, так же как фотон – колебание электромагнитного поля.
• Четыре известные силы природы порождаются разного рода симметриями – то есть изменениями, которые мы можем внести в ситуацию, не повлияв принципиально на результат. (На первый взгляд кажется нелепым, что «изменения, которые не влияют на результат», приводят непосредственно к появлению «силы природы «…но это так, и это было одним из поразительных открытий физики XX века.)
• Симметрия иногда бывает скрытой и потому невидимой для нас. Физики часто говорят, что скрытые симметрии «нарушены», но все еще присутствуют в основных законах физики – просто они завуалированы в нашей каждодневной жизни.
• В частности, слабое ядерное взаимодействие вытекает из определенного вида симметрии. Если бы эта симметрия была ненарушенной, элементарные частицы не имели бы массу и все летали бы со скоростью света.
• Но большинство элементарных частиц имеют массу и не летают со скоростью света, значит, симметрия слабых взаимодействий нарушена.
• Если пространство абсолютно пусто, это означает, что большинство полей выключено, то есть равно нулю. Если поле не равно нулю в пустом пространстве, оно может нарушить какую-нибудь симметрию. В случае слабых взаимодействий эту работу выполняет поле Хиггса. Без него Вселенная была бы совершенно другой.
