Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 37)

В то время как фотоны лишены массы, как лишены ее и переносящие гравитацию гравитоны, бозоны, ответственные за слабое и сильное ядерное взаимодействие, очень массивны. Именно поэтому ядерные силы действуют на столь коротких расстояниях, ограниченных микроскопическими масштабами атомного ядра. В целом, чем больше масса обменных частиц, тем меньше диапазон расстояний, на которых действуют переносимые ими силы. Именно безмассовость микроскопических квантов электромагнетизма и гравитации позволяет этим силам действовать в масштабах всей Вселенной.

Рис. 33. Так называемая диаграмма Фейнмана, описывающая квантовое рассеяние двух электронов в терминах обмена фотоном. Фейнмановская формулировка квантовой механики в виде «суммирования по историям» требует, чтобы при вычислении результирующего угла рассеяния электронов были рассмотрены все возможные обмены, в том числе и те, в которых участвует более одного фотона.

Исчерпываются ли этим сведения о Стандартной модели? Не совсем! В ней есть еще одна, последняя частица, знаменитый неуловимый бозон Хиггса, названный в честь британского физика-теоретика Питера Хиггса, который постулировал его существование в 1964 году. Бозон Хиггса – подобный частице квант поля Хиггса, невидимого скалярного поля, которое, совсем как инфлатонное поле в ранней Вселенной, равномерно пронизывает все пространство – этакая современная версия эфира. Поле Хиггса – ключевой элемент Стандартной модели, который дает всем другим элементарным частицам их массы. Электроны, кварки и даже обменные частицы в рамках Стандартной модели не имеют внутренне присущей им массы, но приобретают массу вследствие сопротивления, которое они испытывают, когда движутся сквозь вездесущее поле Хиггса. Частицы как будто постоянно бредут в грязи; вязкость этой грязи и есть то, что мы называем массой. Количество массы, которым в результате обладают различные частицы, зависит от того, насколько сильно они «чувствуют» поле Хиггса. Кварки и обменные частицы ядерных сил взаимодействуют с полем Хиггса очень сильно и имеют большую массу; более легкие электроны взаимодействуют с этим полем гораздо слабее, а фотоны, вообще с ним не взаимодействующие, остаются безмассовыми.

Идея скалярного поля, которое обеспечивает другие частицы массой, была впервые робко высказана Хиггсом. Независимо от него и в гораздо более яркой форме это сделали американец Роберт Браут и бельгиец Франсуа Энглер. Имеющее вид частицы соответствующее возмущение поля получило название бозона Браута – Энглера – Хиггса в Бельгии и просто бозона Хиггса во всех других странах. Частица стала краеугольным камнем Стандартной модели; спустя почти пятьдесят лет, в 2012 году, она была наконец обнаружена на БАК. Это открытие считается настоящим триумфом длительного и глубокого симбиоза чистой науки, основанной на жажде познания, самой передовой техники и международного сотрудничества. Как и открытие темной энергии в космологии, экспериментальное обнаружение бозона Браута – Энглера – Хиггса опять подтверждает, что пустое пространство на деле не пустое, а заполнено невидимыми полями – и одно из них ответственно за массу той материи, из которой состоим и все мы, и почти все, с чем мы сталкиваемся в жизни. Это открытие также показывает, что скалярные поля действительно используются Природой в качестве одного из главных ингредиентов формирования физического мира. Таким образом, открытие хиггсовского бозона – аргумент в пользу существования подобного поля, возможно, ответственного за инфляцию в очень ранней Вселенной.

Чтобы получить бозоны Хиггса, нужно что-то вроде БАК, потому что поле Хиггса сильно взаимодействует не только с другими частицами, но и само с собой, наделяя свою собственную квантовую частицу большой массой m. Из формулы Эйнштейна E=mc² тогда следует, что на настолько сильное возбуждение всепроникающего поля Хиггса, чтобы можно было быстро отщипнуть от него единичный похрустывающий квант, требуется много энергии E. БАКу удается создавать бозон Хиггса только примерно в одном столкновении на десять миллиардов частиц. И полученные бозоны Хиггса наслаждаются существованием лишь на краткий миг, почти немедленно распадаясь и рождая каскад более легких частиц. Тем не менее, тщательно просеивая продукты распада бозона, физики смогли установить некоторые его свойства, например, тот факт, что он весит как примерно 130 протонов, вместе взятых. Может показаться, что это много, но большинству работающих в этой области физиков кажется, что бозон оказался невероятно легким. Масса бозона Хиггса не менее чем в сто миллионов миллиардов раз ниже, чем то, что многие физики считают ее естественным значением[137]. Непонятная легкость бозона Хиггса стала еще более загадочной в 2016 году, когда, несмотря на капитальную модернизацию, БАКу так и не удалось вызвать из небытия ни одной из новых элементарных частиц, существованием которых теоретики пытались объяснить слишком малую массу бозона. Однако легкий бозон Хиггса все равно очень важен – ведь если бы он был гораздо тяжелее, чем есть, протоны и нейтроны тоже были бы тяжелее. Они оказались бы слишком тяжелыми, чтобы образовать атомы. Так что невыносимая[138] легкость бозона Хиггса – еще одно свойство нашей Вселенной, которое делает ее такой благосклонной к жизни.

Стандартная модель не предсказывает значений масс индивидуальных видов частиц, в том числе массы бозона Хиггса, так как теория не устанавливает значений силы, с которой каждый вид частиц взаимодействует с полем Хиггса. В общей сложности модель содержит около двадцати параметров ключевых значений таких величин, как массы частиц и силы. Эти величины, часто довольно неожиданные, не предопределяются теорией, но должны измеряться экспериментaльно и вводиться в формулы «вручную». Физики обычно называют эти параметры фундаментальными постоянными Природы, так как они оказываются неизменными во всей наблюдаемой Вселенной. После введения этих постоянных теория дает исключительно хорошее описание всего, что нам известно о поведении частиц видимой материи. В сущности, к настоящему времени Стандартная модель – определенно лучше всего проверенная физическая теория всех времен. Некоторые из ее предсказаний проверены с точностью до четырнадцати десятичных знаков!

И все-таки мы могли бы задуматься о том, не существует ли еще ждущего своего открытия более глубокого принципа, определяющего значения параметров, на которых основывается огромный успех Стандартной модели. На основании наших знаний масса бозона Хиггса может казаться нам неестественно малой – но, возможно, ее значение вытекает из более высоких математических истин? Или, может быть, «константы» на деле не сохраняют одних и тех же постоянных значений во всей Вселенной? Возможно, они очень медленно изменяются в ходе космологической эволюции? Или, может быть, меняются от одной области космоса к другой, порождая островные вселенные, в которых действуют «нестандартные модели» физики частиц?

Ответить на эти трудные вопросы поможет нам понимание способа, которым поле Хиггса сообщает частицам их массу. Механизм генерации массы показывает, что напряженность поля Хиггса – это не установленный Богом факт, но результат динамического процесса, который стал разворачиваться, когда Вселенная начала расширяться и охлаждаться после горячего Большого взрыва. И этот процесс включает в себя случайное нарушение абстрактной математической симметрии.

Общеизвестно, что, когда физические системы охлаждаются, их симметрии нарушаются. Подумайте о переходе воды из жидкой фазы в лед, когда ее температура падает ниже нуля по шкале Цельсия. Жидкая вода имеет одинаковые свойства во всех направлениях: она обладает вращательной симметрией. А в ледяных кристаллах с их регулярной геометрической структурой вращательная симметрия, свойственная жидкой воде, нарушена. Другой классический пример – магниты. Магнитные свойства, скажем, железного бруска резко изменяются в окрестности критической точки Кюри: температуры в 770 градусов Цельсия. При более высокой температуре колеблющиеся магнитные поля отдельных атомов железа перестают быть согласованными и общее среднее магнитное поле бруска обращается в ноль – это отражает вращательную симметрию электромагнитных сил. Однако если мы будем медленно охлаждать железный брусок и его температура опустится ниже точки Кюри, в нем начнут спонтанно образовываться магнитные домены. Это создает качественно иное состояние, в котором вращательная симметрия будет нарушена, а северный магнитный полюс будет иметь случайное направление.

Это общее явление. Симметрия физических систем нарушается при падении температуры, что ведет к образованию большего структурного разнообразия и дает больший простор для увеличения сложности системы. Поле Хиггса не составляет исключения. Поля отвечают на изменения температуры в основном так же, как и обычное вещество. Непосредственно после окончания инфляции, когда Вселенная была в сотни миллионов раз горячее солнечного ядра, поле Хиггса бешено вибрировало, в среднем оставаясь нулевым, – совсем как намагниченность железного бруска с температурой выше точки Кюри. В этом нулевом поле Хиггса, пропитывавшем новорожденную Вселенную, все частицы обладали нулевой массой – ситуация в высшей степени симметричная. Однако, когда Вселенная расширилась и температура упала, поле Хиггса подверглось преобразованию. Сигнал к его запуску был дан спустя примерно 10^-11 секунд после горячего Большого взрыва, когда температура упала ниже 10¹⁵ градусов. В этой точке тепловые колебания хиггсовского поля утратили большую часть своей силы и в его поведении начали доминировать взаимодействия с самим собой, определяемые кривой распределения энергии поля – то есть количеством энергии, приходящимся на то или иное значение поля. Но так же, как у инфлатонного поля на рис. 27, кривая распределения энергии поля Хиггса достигает пика, когда поле равно нулю, и падает при ненулевых значениях поля. Вследствие этого в высшей степени симметричное нулевое поле Хиггса внезапно сделалось неустойчивым, как поставленный торчком карандаш. И так же, как карандаш быстро жертвует симметрией ради устойчивости и падает плашмя в случайном направлении – об этом напоминает нам рис. 34, – нулевое поле Хиггса быстро конденсировалось, везде одним скачком переходя в энергетически благоприятное состояние с ненулевым значением. Именно этот ведущий к потере симметрии переход поля Хиггса в ненулевое состояние и одарил частицы массами – важнейший шаг на длинном пути в направлении сложности.