Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Хокинг Стивен

Сильные ядерные взаимодействия переносятся частицей, которая похожа на фотон, и называется глюон. Это «клей», который удерживает ядро от распада. Частица глюон, отвечающая за этот клей, была открыта в 1970-х и, подобно фотону, не имеет массы.

А что слабые взаимодействия, слабые силы, отвечающие за радиоактивность? Хидеки Юкава постулировал в 1930-х, что их могут переносить особые частицы. При этом он понимал, что такая частица должна быть массивной, она не может не иметь массы, как фотон. Юкава был прав, но только в 1983 году эксперименты показали, насколько тяжела эта частица, а именно, что ее масса сравнима с массой ядра средних размеров. Вам придется представить, что каким-то образом глубоко внутри элементарных частиц существуют силы, которые переносятся штуками, тяжелыми как ядра. Это звучит довольно странно, но у нас есть Питер Хиггс и его друзья, которых надо благодарить за понимание, как такое могло случиться. Я говорил выше о вопросах Гогена. Что будет, если мы переведем вопросы Гогена на язык физики частиц?

«Кто мы?» – спрашивал он. Ну что ж, для нас, специалистов по физике частиц, это переводится как: «Из чего состоит вещество?» Я уже рассказал вам большую часть ответа на этот вопрос, но есть еще одна очень важная часть, которой у нас до недавнего времени не было. Она объясняет, почему вещи что-то весят, почему у вещей есть масса. Здесь вступают Питер Хиггс и его друзья.

Мы знаем, что во вселенной есть вещество. Мы также знаем, что антивещества не так много. В конце концов, когда вы, ребята, высадились на Луне, вы не превратились во вспышку излучения, не так ли? Луна состоит из вещества, как и все остальное в видимой части вселенной, насколько мы можем судить. Откуда взялось вещество и почему антивещества совсем немного? Из-за какой-то небольшой разницы между частицами вещества и антивещества?

Я кратко упомянул темную материю. Астрофизики говорят нам, что на самом деле невидимой темной материи во вселенной гораздо больше, чем видимого вещества, про которое мы знаем, которое осязаем. Что это? Состоит ли она из каких-либо частиц?

Как развивается вселенная? Это возвращает нас к еще одному гогеновскому вопросу – откуда мы взялись и куда мы идем. Есть разные ответы на этот вопрос, и я думаю, что Чарли Дюк знает один особенный ответ. Мы, физики, смотрим на это по-другому, но у меня не хватит времени говорить об этом в этом докладе. Каково будущее вселенной? Я планирую вернуться к этому в конце нашего разговора.

Нам, физикам, очень повезло, потому что обращаться к этим вопросам – наша ежедневная работа. Время от времени мы находим один из ответов, и я думаю, что ответ, который дал нам Питер Хиггс, может на самом деле быть связан с некоторыми другими. Поэтому давайте еще раз взглянем на то, что сделали Питер Хиггс и его друзья.

Почему вещи имеют вес? Что же, Ньютон сказал нам, почему вещи весят: они весят потому, что имеют массу. И Эйнштейн, конечно, сказал нам, что энергия сродни массе. К сожалению, два этих выдающихся джентльмена как-то забыли сказать с самого начала, откуда же берется эта масса, и тут вступает Питер Хиггс, и его теория записана на доске. Она также написана на моей футболке. Так что позвольте мне разъяснить по футболке (см. с. 1 вклейки). Верхняя строчка описывает фундаментальные взаимодействия, вторая строчка – то, как эти силы действуют на элементарные частицы – фотоэлектрический эффект Эйнштейна. Третья строчка про то, как бозон Хиггса придает массы частицам вещества, таким как электрон. А нижняя строчка своего рода теоретическая ракета, которая запускает всю эту штуку.

Ключевым моментом его теории является то, что подобно тому, как с электричеством и магнетизмом ассоциирована частица фотон, есть частица, связанная с его механизмом, и она-то и называется бозон Хиггса. Между прочим, Питер Хиггс был и студентом, и аспирантом в Королевском колледже в Лондоне. Возможно, вы удивлены тем, сколько раз я упоминаю Королевский колледж в Лондоне. Это потому что я там работаю профессором, заходите в гости.

Люди связывают все эти идеи с Питером Хиггсом, но я хочу подчеркнуть, что есть еще множество разных людей, у которых схожие идеи появились в то же время. Причина, по которой мы дали этому бозону имя Хиггса, а не Энглера – Браута – Хиггса – Гуральника – Хагена – Киббле и еще кое-кого, состоит в том, что Питер Хиггс был единственным, кто на самом деле привлек внимание научной общественности к факту, что такая частица должна существовать. Простите, если сейчас я перейду на слишком технический уровень, но я хотел бы быстро пояснить вам, что на самом деле сделал Хиггс и чего не сделали остальные.

Предполагается, что вы рассматриваете вселенную, похожую на мексиканскую шляпу. У мексиканской шляпы есть выпуклость в середине и поля с краю. В каком состоянии вселенная хочет находиться? Как указывали Намбу, Голдстоун и другие, она не захочет находиться на вершине в центре шляпы. Она захочет скатиться на край. Тогда, как указывали Энглет, Браут, Хиггс и другие, по мере того, как вселенная оказывается на краю полей шляпы, частица-переносчик слабого взаимодействия, электрон и связанные с ними частицы приобретают массу. Дополнительная вещь, на которую указал Питер Хиггс, становится довольно очевидной, если вы посмотрите на мою картинку. Могут быть осцилляции, квантовые вибрации, идущие радиально вверх и вниз по краям шляпы, и эти вибрации вверх и вниз по краям шляпы соответствуют частице, которую мы называем бозоном Хиггса.

Теперь позвольте мне предложить вам аналогию, чтобы подумать обо всем этом. Согласно идеям Питера Хиггса и других исследователей, существует то, что мы, физики, называем полем; возьмите электромагнитное поле, возьмите гравитационное поле, возьмите поле Хиггса, распространяющиеся на всю вселенную – однородное, изотропное, одно и то же во всех направлениях. Я люблю сравнивать его со снежным полем в Сибири, простирающимся во всех направлениях, покуда видит глаз. Таким же образом у нас есть это универсальное снежное поле Хиггса, которое является средой, проницающей весь космос. Теперь попробуем пересечь хиггсовскую Сибирь. Если мы умные, то у нас будут лыжи, и мы будем очень быстро скользить поверх этого хиггсовского снега. Мы не будем проваливаться, мы не будем взаимодействовать с этим полем Хиггса. Это как частица, не имеющая массы, как фотон. Он не взаимодействует с полем Хиггса. Он как лыжник, который движется очень быстро – в случае фотона всегда со скоростью света.

Но предположим, что на вас снегоступы. В этом случае вы будете проваливаться в снег, и это – аналогия взаимодействия с полем Хиггса. Вы передвигаетесь медленнее лыжника, что похоже на частицу, которая движется медленнее скорости света, которая имеет массу, может быть, на электрон. Наконец, вы можете оказаться достаточно сумасшедшим, чтобы попробовать пересечь эту хиггсовскую Сибирь вовсе без снаряжения. В этом случае вы погрузитесь очень глубоко. Вы будете сильно взаимодействовать с этим снежным полем Хиггса, будете двигаться гораздо медленнее скорости света, как частица с очень большой массой.

Так из чего сделан снег? Каков квант снежного поля Хиггса? Все мы знаем, что снег состоит из снежинок, так что бозон Хиггса в некотором смысле можно рассматривать как снежинку. И даже если вы думаете, что это ненадежная теория, знайте, что она была подтверждена экспериментом. Однако на это ушло много времени. Вот график, который я украл из журнала Economist, и на нем показано, сколько ушло времени на экспериментальное подтверждение существования первоначально гипотетических частиц. В случае бозона Хиггса на это ушло 48 лет – достаточно времени, чтобы Хиггс превратился из волосатого юноши в пожилого человека без волос.

Питер Хиггс и его друзья предложили эти идеи в 1964 году. Мой личный интерес к этому вопросу появился в 1975 году, когда с двумя коллегами, Мари Гайяр и Димитри Нанопулосом, мы пытались выяснить, как эта частица будет выглядеть, о чем в то время мало кто думал. Но мы были крайне не уверены в этих идеях. Мы не были уверены, что Хиггс не порет чушь. Поэтому мы были осторожны и в конце статьи написали, что мы не поощряем большой эксперимент по поиску бозона Хиггса. К счастью, коллеги-экспериментаторы проигнорировали наш скромный совет.