Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Не следует забывать, что электрическое и магнитное поля являются векторными полями, что означает, что в каждой точке они имеют не только величину напряжённости, но и направление. Стрелка компаса, расположенного вблизи магнита, укажет направление магнитного поля. В идеальном случае вектор магнитного поля в любой точке на поверхности Земли всегда указывал бы на северный магнитный полюс. В реальности ситуация далека от идеальной, потому что огромные залежи железной руды в земной коре искажают картину магнитного поля, вызывая местные вариации его направления.

Большинство полей, образующих ландшафт, проще электрического и магнитного: большая часть этих полей является скалярными полями. Скалярное поле не имеет направления и характеризуется только одной величиной – напряжённостью. Примером скалярного поля может служить поле распределения температуры на поверхности Земли. Вы никогда не услышите от синоптика что-либо типа: «двадцать градусов Цельсия в направлении на северо-запад». Температура имеет величину, но не имеет направления. Но синоптики имеют дело и с векторными полями, например со скоростью ветра, имеющей как величину, так и направление. Температура, атмосферное давление, влажность и скорость ветра являются величинами, которые могут меняться от места к месту, что и делает их полями. Разумеется, это только аналогия, и они не имеют ничего общего с полями, образующими ландшафт.

Поле Хиггса очень похоже на магнитное поле (если не считать, что оно скалярное), но им несоизмеримо труднее манипулировать. Для изменения поля Хиггса даже на ничтожную величину требуется невообразимое количество энергии. Однако если бы мы научились управлять им, мы смогли бы менять по своему усмотрению массы всех элементарных частиц, за исключением фотона.

Локомотивы, пушечные ядра, элементарные частицы – всё имеет массу. Масса является мерой инертности: более массивное тело труднее заставить двигаться или остановить. Для определения массы тела следует приложить к нему силу и измерить создаваемое этой силой ускорение: отношение силы к ускорению и будет массой. Если в момент начала эксперимента тело покоилось, то измеренная масса называется массой покоя. В прошлом было принято различать массу движения и массу покоя, но сегодня термин «масса» всегда означает массу покоя.

Из опыта известно, что все электроны обладают одинаковой массой. То же самое касается и протонов, и любых других элементарных частиц. Именно по этой причине мы можем говорить о массе электрона, не уточняя, какой из электронов мы имеем в виду. Точно так же мы можем говорить о массе любой элементарной частицы, но, разумеется, массы различных типов частиц различаются. Например, масса протона в 1800 раз больше массы электрона.

Фотоны же оказываются эксцентричными чудаками, когда заходит речь об их массе. Масса определяется по ускорению тела, когда тело начинает движение из состояния покоя, а фотоны никогда не покоятся, они всегда движутся, причём всегда с одной и той же скоростью. Фотоны, согласно Эйнштейну, являются частицами света, а свет всегда движется со скоростью света. Фотоны не могут находиться в покое, вместо того, чтобы замедляться, они просто исчезают. Это означает, что масса фотона равна нулю. И вообще: любые частицы, способные двигаться со скоростью света, должны быть безмассовыми.

Из всех экспериментально наблюдаемых частиц безмассовым является только фотон. Однако есть основания полагать, что в природе должна существовать по крайней мере ещё одна безмассовая частица. Подобно тому как в результате перехода электрона с одной орбиты на другую атом излучает электромагнитные волны, планеты, двигаясь вокруг Солнца, возмущают гравитационное поле, что приводит к излучению гравитационных волн. Эти гравитационные волны слишком слабы, чтобы обнаружить их на Земле, но время от времени во Вселенной происходят ужасные катаклизмы, порождающие мощнейшее гравитационное излучение. Столкновение чёрных дыр способно освободить невероятное количество энергии в форме гравитационного излучения, для обнаружения которого на Земле были построены специальные детекторы. Если теоретики не заблуждаются, то эти волны будут распространяться в пространстве со скоростью света, поэтому разумно предположить, что они должны состоять из безмассовых частиц – гравитонов.

Хотя я и говорил, что все электроны имеют одну и ту же массу, тут есть одна тонкость, о которой вы, возможно, уже догадались. Масса электрона зависит от величины поля Хиггса в той точке, где в данный момент находится электрон. Если бы мы обладали технологией, позволяющей варьировать поле Хиггса, то масса электрона могла бы зависеть от его местоположения. То же касается и масс всех остальных элементарных частиц, за исключением фотона и гравитона.

В нашем обычном вакуумном состоянии величины большинства известных полей равны нулю. Поля могут флуктуировать из-за квантовых эффектов, но их мгновенные значения при этих флуктуациях с равной вероятностью оказываются как положительными, так и отрицательными, так что в среднем величина поля остаётся нулевой. Создание ненулевого поля требует энергии. Поле Хиггса, однако, ведёт себя по-другому. Его среднее значение в пустом пространстве отлично от нуля. Это как если бы в волнующемся море элементарных частиц присутствовал ещё дополнительный фиксированный уровень жидкости, состоящий из частиц Хиггса. Почему мы не замечаем этой жидкости? Я бы сказал, потому, что мы привыкли к её существованию. Но если бы эта жидкость исчезла, мы сразу же почувствовали бы её отсутствие, хотя… будем честными: мы бы и в этом случае ничего не почувствовали, поскольку прекратили бы своё существование.

«Поле Хиггса даёт частицам их массы» – что стоит за этим утверждением? Ответ уходит своими корнями глубоко в дебри математики Стандартной модели, но я попытаюсь обрисовать главную идею. Как уже говорилось ранее, если исключить поле (или частицу) Хиггса из списка действующих лиц, то квантовая теория поля, описывающая Стандартную модель, будет математически последовательной, только если все элементарные частицы будут безмассовыми, как фотоны. Фактические массы таких частиц, как электроны, кварки, W-бозоны и Z-бозоны, возникают из-за их движения сквозь «жидкость», состоящую из частиц Хиггса. Мне бы не хотелось вводить вас в заблуждение ложной аналогией, но это выглядит так, будто хиггсовская жидкость сопротивляется движению частиц. Только это сопротивление не похоже на обычное трение, тормозящее частицы и заставляющее их останавливаться. Вместо этого хиггсовская жидкость сопротивляется изменению скорости частиц, проявляя себя так же, как инертная масса. Лучше посмотрите на фейнмановскую диаграмму, которая одна стоит тысячи слов.

Если бы нам удалось создать в некоторой области нулевое хиггсовское поле, то наиболее заметным следствием этого стала бы нулевая масса электрона. Это оказало бы разрушительный эффект на атомы. Слишком лёгкий электрон не мог бы находиться внутри атома. Ни атомы, ни молекулы не смогли бы существовать. Жизнь в том виде, в каком она нам известна, тоже не возникла бы в такой области.

Было бы крайне интересно проверить это предсказание экспериментально, но манипуляции с полем Хиггса несоизмеримо сложнее, чем манипуляции с магнитным или электрическим полем. Создание области с нулевым полем Хиггса требует неимоверного количества энергии. В частности, для очистки от частиц Хиггса одного кубического сантиметра пространства понадобится порядка 1040 джоулей. Такую энергию излучает Солнце за миллион лет. Так что проведения подобного эксперимента нам придётся ещё какое-то время подождать.

Почему же поле Хиггса так отличается от электромагнитного поля? Ответ кроется в Ландшафте. Представим себе одномерный ландшафт и, игнорируя электрическое и магнитное поля, оставим в нём только одно поле Хиггса. Получившийся «Хиггс-шафт» будет гораздо интереснее, чем простая парабола, описывающая ландшафт магнитного поля. Он представляет собой две глубокие долины, разделённые чрезвычайно высокой горной вершиной.

Не переживайте, если вы не понимаете, почему Хиггс-шафт выглядит столь необычно. Этого никто до конца не понимает. Это просто ещё один эмпирический факт, который следует принимать как данность. Вершина горы – это точка, в которой поле Хиггса равно нулю. Представим, что при помощи некоего супермощного космического пылесоса нам удалось высосать из вакуума всё хиггсовское поле. Перед нами откроется место на Хиггс-шафте, в котором все частицы, входящие в Стандартную модель, являются безмассовыми и движутся со скоростью света. Из графика видно, что вершина горы представляет собой среду с огромной плотностью энергии. Помимо всего прочего, это – смертоносная среда.