Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

Полевая основа также применима и к материи. Грубо говоря, вероятностные волны квантовой механики сами могут мыслиться как заполняющие пространство поля, которые обеспечивают вероятность, что 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 фосфорецирующем экране, как на Рис. 4.4, – но он может (и должен) также рассматриваться в терминах волнового поля, одного из тех, которые дают вклад в интерференционную картину на фосфоресцирующем экране, как на Рис. 4.3b. [3] Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в большие детали, [4] вероятностная волна электрона тесно связана с некоторым электронным полем – полем, которое во многих смыслах сходно с электромагнитным полем, но в котором электрон играет роль, аналогичную фотонам, будучи мельчайшей составляющей

электронного поля. Такой же вид полевого описания сохраняет справедливость также и для всех других видов частиц материи.

3. Одно различие между полями сил и материи выражено в принципе исключения Вольфганга Паули. Этот принцип показывает, что в то время как огромное количество частиц сил (вроде фотонов) могут объединяться, чтобы произвести поля, доступные доквантовому физику, такому как Максвелл, поля, которые вы видите всякий раз, когда вы заходите в темную комнату и включаете свет, частицам материи в общем случае законы квантовой физики запрещают такое кооперирование согласованным, организованным образом. (Более точно, две частицы одного и того же вида, такие как два электрона, не могут занять одинаковое состояние, тогда как для фотонов такого ограничения нет. Таким образом, поля материи в общем случае не имеют макроскопического, классического проявления).

4. В схеме квантовой теории поля каждая известная частица выглядит как возбуждение лежащего в основании поля, связанного с семейством, членом которого частица является. Фотоны есть возбуждения фотонного поля – что означает, электромагнитного поля; up-кварк является возбуждением up-кваркового поля; электрон есть возбуждение электронного поля, и так далее. Таким образом, вся материя и все силы описываются не едином квантовомеханическом языке. Ключевая проблема, что очень тяжело оказалось описать на этом языке все квантовые свойства гравитации, проблема, которую мы будем обсуждать в Главе 12.

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.

5. Хотя поле Хиггса названо в честь Петера Хиггса, жизненно важную роль в его введении в физику и его теоретической разработке сыграло большое число других физиков, среди других – Томас Киббле, Филип Андерсон, Р. Браут и Франко Энглерт.

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.

6. Имейте в виду, что величина поля задается расстоянием от центра его чаши, так что даже если поле имеет нулевую энергию, когда его величина находится во впадине чаши (поскольку высота над впадиной обозначает энергию поля), его величина не равна нулю.