Книга Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Один миллион миллиардов градусов, безусловно, находится за границами природы, насколько мы знаем сегодня.

Но это не всегда могло быть так.

На самом деле, такое огромное количество энергии существовало вокруг очень давно, когда Вселенная была моложе и меньше. И пытавшимся выяснить на бумаге, как вела себя тогда природа, Глэшоу, Саламу и Вайнбергу удалось объединить электромагнитное поле с полем слабого взаимодействия, открыв, таким образом, электрослабое поле. Они обнаружили, что при экстремальных условиях одно поле содержало в себе два поля, которые сегодня отдельно управляют магнетизмом и радиоактивностью.

Следующим шагом является объединение этого нового поля с третьим известным квантовым полем, полем сильного взаимодействия, того, что управляет взаимодействием кварков и глюонов внутри атомных ядер. Сделав это, мы могли бы создать что-то, что помпезно окрестили теорией великого объединения. Для его появления необходимо затратить еще больше энергии.

Насколько больше?

На головокружительное количество. Такого невообразимого, что добавление пары-тройки миллиардов градусов не сыграет заметной роли.

Итак, откуда мы знаем, что это реально?

Откуда мы знаем, что Салам, Глэшоу и Вайнберг оказались правы? И, кроме ощущения того, что одно поле целесообразнее трех или четырех, откуда мы знаем, что в конечном итоге действительно ожидается обнаружить теорию великого объединения?

Потому что физики предсказали, что при объединении полей для создания одного нового у него должны появиться собственные фундаментальные частицы и переносчики силы. Для проверки были построены ускорители частиц, в которых уже существующие частицы разбиваются друг о друга. В таких коллайдерах частицы не только распадаются, показывая нам, из чего они состоят; выделяющаяся в результате столкновения огромная энергия также возбуждает все находящиеся в состоянии покоя поля нашей Вселенной.

Достигнутая в результате таких столкновений максимальная энергия по состоянию на 2015 год соответствует отметке 100 миллионов миллиардов градусов. Звучит как громадное количество энергии, но стоит помнить, что здесь речь идет об ускорителе частиц. Он ускоряет не коров или планеты, но невероятно крошечные частицы. В реальном выражении энергия, производимая столкновениями микроскопических частиц, будет едва мощнее полета комара. Локально, однако, выделяемая энергия огромна. И, как и предсказывали Салам, Глэшоу и Вайнберг, на свет появились совершенно новые частицы (в частности, W– и Z-бозоны) – частицы, имеющие смысл только с точки зрения электрослабого взаимодействия.

Не знаю насчет вас, но меня такие достижения никогда не перестают удивлять.

А какова роль гравитации во всем этом? Чтобы превратить четыре поля в одно целое, гравитация должна сыграть определенную роль, так почему ее выпустили? Ответ на этот (хитрый) вопрос станет целью всей седьмой части книги.

Но не будьте нетерпеливы, потому что из того, что вы увидели до сих пор, вы узнали почти все, что нужно, о составляющей нас материи, за одним большим исключением: массы.

Раз на то пошло, можно задаться вопросом, как же вы еще не слышали о ней раньше: ведь, кажется, это довольно важная тема, не так ли?

Итак, откуда же берется масса?

Как вы знаете, в своих сердцах звезды создают крупные атомные ядра из мелких.

Значит, звезды создают массу таким образом?

Нет.

На самом деле совсем наоборот.

Выбрасывая излишние глюоны во время процесса слияния, нейтроны и протоны теряют часть своей энергии, а следовательно, и массы, как гласит уравнение Эйнштейна E = mc2,[45] создавая тем самым источник энергии, заставляющий звезды светить. Вы видели, как это происходило. Но уравнение также утверждает кое-что еще: если атомные ядра теряют массу за счет избавления от глюонов, значит, глюоны и были той массой. Что говорит, что часть массы атома происходит от самого существования супов из виртуальных глюонов, удерживающих кварки в тюрьме. На самом деле, когда ученые внимательно рассмотрели эту гипотезу, то поняли, что «энергия глюонного супа», существующая внутри всех нейтронов и протонов Вселенной, отвечает не за какую-то часть, но за огромную долю от массы известной нам материи. Огромную долю. Но не за всю массу.

Уравнение не объясняет нам, например, почему кварки и электроны обладают массой. Или, скорее, каким образом они ее получают, потому что когда-то они были безмассовыми.

Салам, Глэшоу и Вайнберг показали, что давным-давно, когда наша еще чрезвычайно юная Вселенная расширялась и охлаждалась, электрослабое поле разделилось на электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия. Но я прежде не говорил вам, что из-за этого пришлось появиться еще одному полю.

Другому квантовому полю, с собственными переносчиками взаимодействий и прочим.

Эти переносчики не могут переносить ни одну из сил, с которыми вы уже встречались, и не существует никакой другой силы… так что же они делают? Ну ладно, они придают массу некоторым частицам, оставляя другие безмассовыми. Фотоны и глюоны, например, не ощущали и не ощущают присутствия массы. Они могут путешествовать по своему полю, не замечая ее. Таким образом, они сохранились безмассовыми и до сих пор передвигаются со скоростью света.

Но кварки, электроны и нейтрино заметили ее присутствие и получили массу. Поэтому они больше не могут достичь скорости света.[46]

Опять же, откуда мы знаем, что это правда? Каким образом известно, что загадочное поле отвечает за массу этих частиц?

Ну хорошо, как и все поля, это новое поле должно иметь собственные фундаментальные частицы.

Однако, как и следовало ожидать, их не так легко увидеть или обнаружить.

Согласно расчетам, чтобы разбудить спящее поле и заставить родиться его фундаментальные частицы, потребуется огромное количество энергии – даже больше, чем для электрослабого поля. Тем не менее в 2012 году, как бы удивительно это ни звучало, ученым удалось сделать именно это на БАК, самом мощном ускорителе элементарных частиц Европейского центра ядерных исследований близ Женевы.[47] Они обнаружили фундаментальную частицу, принадлежащую данному полю. Она была недостающим куском головоломки: стало известно происхождение всей известной массы Вселенной, будь то из-за глюонов или нет.