Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
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,
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]
7. В описании в тексте величина Хиггсова поля задана его расстоянием от центра чаши, так что вы можете удивиться, сколько точек на круговой впадине чаши, – которые находятся на таком же расстоянии от центра чаши, – дают любую, но одинаковую величину Хиггсова поля. Ответ, для склонного к математике читателя, в том, что различные точки во впадине представляют величины Хиггсова поля с одним и тем же значением, но с различными фазами (величина Хиггсова поля является комплексным числом).
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,
8. В принципе, имеется две концепции массы, которые водятся в физике. Одна концепция описана в тексте: масса есть свойство объекта, которое сопротивляется ускорению. Иногда это понятие массы называют инертной массой. Вторая концепция массы имеет отношение к гравитации: масса как такое свойство объекта, которое определяет, насколько сильно он будет притягиваться гравитационным полем выбранной величины (такой как земная). Иногда это понятие массы называется гравитационной массой. На первый взгляд, Хиггсово поле имеет отношение только к пониманию инертной массы. Однако принцип эквивалентности ОТО декларирует, что силы, ощущаемые от ускоренного движения и от гравитационного поля неразличимы – они эквивалентны. А это означает эквивалентность между концепциями инертной и гравитационной массы. Таким образом, Хиггсово поле имеет отношение к обоим видам массы, которые мы упомянули, поскольку, согласно Эйнштейну, они одинаковы.
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]
9. Я благодарю Рафаэля Каспера за указание, что это описание является вариацией призовой метафоры профессора Дэвида Миллера, предъявленной в ответ на требование Британского министра науки Вильяма Вальдеграве Британскому физическому обществу в 1993 объяснить, почему деньги налогоплательщиков должны быть использованы на поиски частицы Хиггса.