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, в который, как заявляет современная теория, мы все погружены, взаимодействует с кварками и электронами: он мешает их ускорениям почти так же, как чан с патокой сопротивляется движению шарика для пинг-понга, который туда опущен. И это сопротивление, это торможение мельчайших составляющих дает вклад в то, что вы ощущаете как массу вашей руки и шара для боулига, которыми вы размахиваете, или как массу объекта, который вы бросаете, или как массу всего вашего тела, когда вы ускоряетесь в направлении к финишной линии на 100-метровой дистанции. Именно так мы чувствуем океан Хиггса. Силы, которые мы прикладываем тысячи раз в день, чтобы изменить скорость того или иного объекта, – чтобы придать ему ускорение, – являются силами, которые борются против сопротивления океана Хиггса.[8]

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]

Это дает прекрасную основу для размышлений о том, почему одна частица имеет массу, отличную от другой, но на сегодняшний день нет фундаментальных объяснений для точного способа, которым каждый из известных видов частиц взаимодействует с океаном Хиггса. В результате нет фундаментального объяснения, почему известные частицы имеют индивидуальные массы, которые обнаруживаются экспериментально. Однако, большинство физиков уверено, что если бы не было Хиггсова океана, все фундаментальные частицы были бы подобны фотону и совсем не имели бы массы. Фактически, как мы теперь видим, вещи могли бы быть такими в ранние моменты вселенной.

Объединение в охлаждающейся вселенной

В то время, как газообразный пар конденсируется в жидкую воду при 100 градусах Цельсия, а жидкая вода замерзает в твердый лед при 0 градусов Цельсия, теоретические изыскания показали, что Хиггсово поле конденсируется в ненулевую величину при миллионе миллиардов (1015) градусов. Это почти в 100 миллионов раз превышает температуру в центре Солнца, и это температура, до которой, как мы уверены, вселенная остыла примерно к одной сотой миллиардной (10–11) доле секунды после Большого взрыва. Предшествующие 10–11 секунды после Большого взрыва Хиггсово поле флуктуировало вверх и вниз, но имело нулевую среднюю величину; как и вода выше 100 градусов Цельсия, при таких температурах океан Хиггса не мог быть сформирован, поскольку было слишком жарко. Океан испарился бы немедленно. А без Хиггсова океана не было сопротивления ускоренному движению, которому подвергнуты частицы (папарацци исчезли), что подразумевает, что все известные частицы (электроны, up- и down-кварки и остальные) имели одинаковую массу: нуль.

Это наблюдение частично объясняет, почему формирование океана Хтггса описывается как космологический фазовый переход. В фазовых переходах от пара к воде и от воды ко льду происходят две существенные вещи. Имеется существенное качественное изменение во внешнем виде объекта, и фазовый переход сопровождается уменьшением симметрии. Мы видим те же две особенности при формировании Хиггсова океана. Первое, произошло существенное качественное изменение: виды частиц, которые были безмассовыми, внезапно приобрели ненулевые массы – массы, которые эти виды частиц имеют и сейчас. Второе, это изменение сопровождалось уменьшением симметрии: до формирования Хиггсова океана все частицы имели одинаковую – нулевую – массу, что является высокосимметричным состоянием дел. Если бы вы поменяли массу одного вида частиц на массу другого, никто бы не узнал, поскольку все массы были одинаковыми. Но после конденсации океана Хиггса массы частиц превратились в ненулевые – и не равные – величины, так что симметрия между массами была потеряна.

Фактически, уменьшение симметрии, возникнув из формирования океана Хиггса, является еще более всеобъемлющим. Выше 1015 градусов, когда Хиггсово поле еще не сконденсировалось, безмассовыми являются не только все виды фундаментальных частиц материи, то также, без тормозящего сопротивления от океана Хиггса, и все виды частиц сил. (Сегодня W и Z частицы – переносчики слабого ядерного взаимодействия – имеют массы около 86 и 97 масс протона). И, как впервые было открыто в 1960е Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, безмассовость частиц всех сил сопровождалась другой, фантастически красивой симметрией.

В конце 1800х Максвелл осознал, что электричество и магнетизм, хотя они некогда воспринимались как две полностью различные силы, на самом деле являются различными аспектами одной и той же силы – электромагнитной силы (см. Главу 3). Его труд показал, что электричество и магнетизм дополняют друг друга; они представляют собой Инь и Янь более симметричного объединенного целого. Глэшоу, Салам и Вайнберг открыли следующую главу в этой истории объединения. Они осознали, что перед тем, как сформировался Хиггсов океан, не только все частицы сил имели одинаковую массу – нуль, – но и фотоны, и W- и Z- частицы были идентичны еще и в существенно другом смысле.[10] Точно так же, как снежинка не меняется при отдельных поворотах, которые меняют местами положения ее лучей, физические процессы в отсутствие океана Хиггса не будут меняться при отдельных взаимозаменах частиц электромагнитных и слабых ядерных сил – при отдельных взаимных заменах фотонов и W- и Z- частиц. И также, как нечувствительность снежинки к поворотам отражает симметрию (вращательную симметрию), нечувствительность к взаимозаменам этих частиц также отражает симметрию, одну из тех, которая по техническим причинам называется калибровочной симметрией. Она имеет глубокие следствия. Поскольку эти частицы передают соответствующие им силы (взаимодействия), – они являются частицами-переносчиками их сил, – симметрия между ними означает, что была симметрия между силами. Следовательно, при достаточно высокой температуре, температуре, которая испарила бы сегодняшний заполненный Хиггсовым полем вакуум, нет различия между слабыми ядерными силами и электромагнитными силами. Достаточно высокая температура означает, что океан Хиггса испаряется; если это сделано, разница между слабыми и электромагнитными силами испаряется тоже.

Глэшоу, Вайнберг и Салам расширили открытие Максвелла столетней давности, показав, что электромагнитные и слабые ядерные силы на самом деле являются частью одной и той же силы. Они объединили описание этих двух сил в то, что сейчас называется электрослабой силой.

Симметрия между электромагнитными и слабыми силами не проявляется сегодня, поскольку по мере охлаждения вселенной сформировался Хиггсов океан и – это существенно – фотоны и W- и Z- частицы взаимодействуют с конденсированным Хиггсовым полем по-разному. Фотоны проносятся через океан Хиггса так же легко, как второсортный киноартист легко прошел бы сквозь папарацци, и, следовательно, остаются безмассовыми. Однако, W- и Z- частицы, как Билл Клинтон и Мадонна, с трудом прокладывают свой путь, приобретая массы в 86 и 97 масс протона, соответственно. (Замечание: Эта аналогия не соблюдает масштаб). Таким образом, электромагнитные и слабые ядерные силы становятся столь отличными в мире вокруг нас. Лежащая в основании симметрия между ними "нарушена" или скрыта Хиггсовым океаном.

Это действительно захватывающий дух результат. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, – электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, – являются фундаментально частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого Хиггсова поля, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, что мы обычно мыслим как пустое пространство, – вакуум, пустота, – играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при росте температуры достаточно высоко, чтобы Хиггсово поле испарилось, – то есть, приобрело нулевое среднее значение во всем пространстве, – может быть сделана видимой полная симметрия, лежащая в основании законов природы.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W- и Z- частицы еще не были открыты экспериментально. Была сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии, что дало им уверенность идти вперед. Их отвага оказалась хорошо обоснованной. Через некоторое время W- и Z- частицы были открыты и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за внешними явлениями, – всмотревшись сквозь скрывающий суть туман пустоты, – проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырех сил природы. В 1979 им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я время от времени случайно натыкался на моего ведущего консультанта, физика Говарда Джорджи. Я никогда не имел, что сказать, но это почти не имело значения. Всегда было так, что Джорджи легко было спровоцировать поделиться чем-либо с интересующимся студентами. Как-то раз, в особенности, Джорджи был специально спровоцирован и он быстро воодушевленно говорил больше часа, заполняя меловую доску еще некоторое время после символами и уравнениями. На всем протяжении я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я почти не понимал ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки открытия, которое он сделал, названного великим объединением.

Великое объединение обращается к вопросу, который естественным образом следует из успеха электрослабого объединения: если две силы природы являлись частью единого целого в ранней вселенной, может ли быть, что при еще более высоких температурах и в еще более ранние времена в истории вселенной различия между тремя или, возможно, всеми четырьмя силами аналогично могут испариться, создав даже еще большую симметрию? Это выдвигает интригующую возможность, что на самом деле может быть единственная фундаментальная сила природы, которая через серию космологических фазовых переходов кристаллизовалась в четыре кажущиеся различными силы, о которых мы в настоящее время знаем. В 1974 Джорджи и Глэшоу предложили на обсуждение первую теорию, чтобы пройти часть пути к этой цели полного единения. Их теория великого объединения вместе с более поздними наработками Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберга, предполагала, что три из четырех сил – сильные, слабые и электромагнитные силы – являлись частью единой силы, когда температура превышала 10 миллардов миллиардов миллиардов (1028) градусов, – в несколько тысяч миллиардов миллиардов раз больше температуры в центре Солнца, – экстремальные условия, которые существовали через 10–35 секунды после Взрыва. Выше этой температуры, предположили указанные физики, фотоны, глюоны сильного взаимодействия, точно так же, как и W- и Z- частицы, могли свободно взаимозаменяться одни на другие – более сильная калибровочная симметрия, чем в электрослабой теории, – без каких-либо наблюдаемых последствий. Джорджи и Глэшоу, таким образом, предположили, что при этих высоких энергиях и температурах имеется полная симметрия между тремя видами частиц-переносчиков негравитационных сил, и потому имеется полная симметрия среди трех негравитационных сил.[11]

Теория великого объединения Глэшоу и Джорджи продолжила разговор от том, что мы не видим эту симметрию в мире вокруг нас, – сильные ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны тесно склеенными вместе в атомах, кажутся полностью отделенными от слабых или электромагнитных сил, – поскольку, когда температура упала ниже 1028 градусов, в игру вступил другой вид Хиггсова поля. Это Хиггсово поле называется Хиггсом великого объединения. (Всякий раз, когда названия могут привести к путанице, Хиггсово поле, содержащее электрослабое объединение, называют электрослабым Хиггсом). Сходно со случаем его электрослабого родственника Хиггс великого объединения дико флуктуирует выше 1028 градусов, но расчеты указывают на то, что он конденсируется в ненулевую величину, когда вселенная охлаждается ниже этой температуры. И, как и с электрослабым Хиггсом, когда этот Хиггсов океан великого объединения формировался, вселенная прошла через фазовый переход с сопровождающим его понижением симметрии. В этом случае, поскольку Хиггсов океан великого объединения оказывает отличающееся влияние на глюоны по сравнению с влиянием на другие частицы, сильное взаимодействие отщепилось от электрослабого взаимодействия, создав две различающиеся негравитационные силы там, где раньше была одна. Отделившись вторым и упав по температуре еще на миллиарды и миллиарды градусов, электрослабый Хиггс сконденсировался, заставив слабые и электромагнитные силы также расщепиться.

Пока красивая идея великого объединения (в отличие от электрослабого объединения) не подтверждена экспериментально. Тем не менее, оригинальное предположение Джорджи и Глэшоу предсказывает след, остаточное последствие ранней симметрии вселенной, который должен быть видим сегодня, который позволяет протонам даже при этих условиях часто превращаться в другие виды частиц (такие как антиэлектроны и частицы, известные как пионы). Но после лет старательных поисков такого распада протона в детально разработанных подземных экпериментах, – такой эксперимент Джорджи возбужденно описывал мне в его офисе годы назад, – ничего не было найдено; это исключает предположение Джорджи и Глэшоу. Однако, с тех пор физики разработали вариации этой оригинальной модели, которые еще не вычеркнуты такими экспериментами; однако, ни одна из этих альтернативных теорий не подтверждена.

Среди физиков достигнут консенсус, что великое объединение является одной из великих, но еще нереализованных идей в физике частиц. Поскольку объединение и космологические фазовые переходы оказались столь действенны для электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, многие чувствуют, что требуется только время, чтобы другие силы также были собраны в рамках объединенной схемы. Как мы увидим в Главе 12, большие шаги в этом направлении были сделаны недавно с использованием другого подхода – теории суперструн – который впервые свел все силы, включая гравитацию, в объединенную теорию, хотя этот подход все еще, как об этом пишут, находится в процессе энергичной разработки. Но, тем не менее, что уже ясно даже в только что рассмотренной электрослабой теории, так это то, что вселенная, которую мы видим в настоящее время, проявляет следы сверкающей симметрии ранней вселенной.

Возвращение эфира

Концепция нарушения симметрии и ее проявление через электрослабое поле Хиггса, несомненно, играют центральную роль в физике частиц и космологии. Но обсуждение может оставить вас в недоумении по следующему поводу: Если Хиггсов океан является невидимым нечто, которое заполняет то, что мы обычно понимаем под пустым пространством, не есть ли это просто другая инкарнация давно дискредитированного понятия эфира? Ответ: да и нет. Объяснение: да, конечно, в некотором смысле Хиггсов океан имеет привкус эфира. Подобно эфиру, конденсированное Хиггсово поле пропитывает пространство, окружает всех нас, проникает прямо через любой материал и, как неудаляемая особенность пустого пространства (исключая случай, когда мы заново нагреем вселенную выше 1015 градусов, что мы, естественно, не можем сделать), оно переопределяет нашу концепцию пустоты. Но, в отличие от исходного эфира, который был введен как невидимая среда для переноса световых волн примерно тем же образом, как воздух переносит волны звука, океан Хиггса ничего не делает с движением света; он не влияет никоим образом на скорость света, так что эксперименты на заре двадцатого века, которые вычеркнули эфир через изучение движения света, не затрагивают Хиггсов океан.

Более того, поскольку Хиггсов океан не влияет никаким образом на что-либо, движущееся с постоянной скоростью, он не выделяет ни одну наблюдательную систему отсчета как каким-либо образом выделенную, тогда как эфир делал это. Напротив, даже с Хиггсовым океаном все наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью, остаются на полностью одинаковом основании, а потому Хиггсов океан не конфликтует с СТО. Конечно, эти наблюдения не доказывают, что Хиггсов океан существует; вместо этого они показывают, что несмотря на определенное сходство с эфиром, Хиггсовы поля не конфликтуют с теорией или экспериментом.

Однако, если имеется океан Хиггсова поля, он должен давать другие следствия, которые будут экспериментально проверяемы в течение следующих нескольких лет. В качестве главного примера, точно так, как электромагнитные поля составлены фотонами, Хиггсовы поля составлены частицами, которые, не удивительно, названы частицами Хиггса. Теоретические расчеты показывают, что если имеется пронизанное Хиггсовым океаном пространство, частицы Хиггса дожны быть среди осколков от высокоэнергетических столкновений, которые будут иметь место в Большом Адронном Коллайдере, гигантском строящемся сейчас ускорителе в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария, и запланированном к запуску в 2007. Грубо говоря, огромные по энергии столкновения лоб в лоб между протонами должны быть в состоянии выбить частицу Хиггса из Хиггсова океана примерно как мощные подводные взрывы могут выбить молекулы Н2О из Атлантики. В свое время эти эксперименты должны позволить нам определить, существует ли эта современная форма эфира или она последует путем своего более раннего воплощения. Это критический вопрос для решения, поскольку, как мы видели, конденсация Хиггсовских полей играет глубокую и стержневую роль в нашей текущей формулировке фундаментальной физики.

Если Хиггсов океан не найдется, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдется, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для точного оформления наших математических рассуждений, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделает еще две вещи. Первое, оно обеспечит прямое подтверждение древней эры, когда многие аспекты сегодняшней вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Второе, оно установит, что наше интуитивное понятие пустого пространства, – конечного результата удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура уменьшатся настолько, насколько это возможно, – в течение длительного времени было наивным. Пустейшее пустое пространство не требует включения состояния абсолютной пустоты. Следовательно, без спиритического вызова мы можем неожиданно вплотную столкнуться с мыслями Генри Мора (Глава 2) в нашем научном квесте по изучению пространства и времени. Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства может быть аналогично эфемерной, поскольку пустое пространство, о котором мы осведомлены, может всегда быть заполнено океаном Хиггсова поля.

Рис 9.2 Временная ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва.

<Снизу от оси последовательно отмечены ключевые события модели: Большой взрыв (начало оси); Великое объединение (время 10^–35 секунды, температура 10²⁸ Кельвинов); электрослабое объединение (10^–12 секунды, 10¹⁵ Кельвинов); формирование ядер (1 секунда, 10¹⁰ Кельвинов); формирование галактик (10⁹ лет, 10 Кельвинов); сегодня (10¹⁰ лет, 2,7 Кельвина)>.