Книга О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог

именно все частицы и силы Природы гармонично сочетаются друг с другом, может пролить новый свет на однозначность фундаментальных физических законов – или отсутствие таковой, – а значит, и понять, до какой степени мы можем ожидать их изменчивости в мультивселенной.

МЫ ОБЫЧНО ПРЕДСТАВЛЯЕМ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ВИДЕ СКОЛЛАПСИРОВАВШИХ ОСТАТКОВ МАССИВНЫХ ЗВЕЗД. ЭТОТ ВЗГЛЯД, ОДНАКО, СЛИШКОМ ОГРАНИЧЕН – ЛЮБОЕ ТЕЛО МОЖНО ПРЕВРАТИТЬ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ, ЕСЛИ СЖАТЬ ЕГО КАК СЛЕДУЕТ.

Большая часть видимого вещества состоит из атомов, а те, в свою очередь, – из электронов и крошечного ядра – конгломерата протонов и нейтронов. Атомные ядра удерживаются вместе ядерными силами, так называемым сильным взаимодействием, которое действует на кварки – частицы, из которых составлены протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие и в самом деле очень сильное, но действует только на очень коротких расстояниях, резко падая до нуля на расстояниях выше примерно одной десятитриллионной доли сантиметра. Вторая ядерная сила – она называется «слабым взаимодействием» – действует и на кварки, и на другой класс частиц вещества, в который входят электроны и нейтрино: эти частицы называют лептонами. Слабое взаимодействие отвечает за превращения некоторых ядерных частиц в другие. Например, изолированный нейтрон неустойчив и за несколько минут распадается на протон и два лептона – а вызывают этот распад именно силы слабого взаимодействия. Третья и последняя сила, воздействующая на частицы, электромагнитная сила, знакома нам лучше всех остальных. В отличие от сильного и слабого взаимодействий электромагнетизм, как и гравитация, действует на очень больших расстояниях. Он проявляется не только на атомных и молекулярных масштабах, привязывая электроны к атомным ядрам и связывая атомы в молекулы, – он действует и на макроскопических расстояниях. Поэтому неудивительно, что, наряду с гравитацией, электромагнетизм управляет большинством ежедневных явлений и имеет множество применений и проявлений – от устройств связи и МРТ-сканеров до радуги и полярного сияния.

Все видимые формы материи и три перечисленных вида сил, управляющие взаимодействиями частиц, связаны прочным теоретическим основанием: Стандартной моделью физики элементарных частиц. Разработанная в 1960-х и в начале 1970-х годов, Стандартная модель есть квантовая теория, описывающая частицы вещества и силы в терминах полей, волнообразно колеблющихся субстанций, рассеянных в пространстве. В терминах Стандартной модели частицы материи, такие, как электроны и кварки, – не что иное, как локальные возбуждения распределенных в пространстве полей. Подобные частицам возмущения силовых полей, действующих между частицами вещества, известны как обменные частицы или бозоны. Например, фотоны, обменные частицы, переносящие электромагнитную силу, – это подобные частицам индивидуальные кванты электромагнитного силового поля.

Теоретическое обоснование Стандартной модели в терминах квантовых полей глубоко определяет способ описания микроскопических процессов в мире частиц в рамках этой модели. Возьмем взаимодействие между двумя электронами. Когда они сближаются друг с другом, они отклоняются и рассеиваются, так как одноименные электрические заряды отталкиваются. Стандартная модель описывает этот процесс вполне осязаемым способом: как обмен фотоном между этими электронами. Когда два электрона оказываются внутри сферы действия друг друга, мы представляем, что один из них испускает фотон, а другой его поглощает. Каждый электрон в результате этого обмена испытывает легкую отдачу, из-за чего их траектории расходятся (см. рис. 33). Но это не все. По правилам фейнмановской формулировки квантовой механики в виде «суммирования по историям», чтобы вычислить значение угла рассеяния электронов, мы должны сложить все возможные способы, которыми эти два электрона могут обменяться одним или несколькими фотонами. Множественность историй обмена означает, что мы не можем, в полном соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, точно определить, где и когда этот обмен произошел.

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,