Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

сцене появился бозон Хиггса, соединивший линией отдельные точки в фундаментальной физике и объяснивший, как Вселенная во многом скрывала лежащую в ее основе симметрию. Но, как мы видели, во всей этой шараде было что-то неестественное. Бозон Хиггса оказался в миллиард миллиардов раз легче. Природа не создает таких соотношений без веской причины. Так почему же оно появилось? Какая новая физика может спасти нас? В чем состоит новая симметрия?

Для Гайар и Ли, работавших летом 1974 года, новая физика нашлась очень быстро, и естественность была спасена. Однако после собрания в ЦЕРН в 2012 году прошло уже десять лет, а мы все еще пытаемся понять загадку бозона Хиггса. Новая физика, которую обещала естественность, все еще не проявила себя. Неужели естественность наконец потерпела неудачу? Неужели мы обречены жить в неожиданной и маловероятной Вселенной, даже не понимая почему? Нам нужно поближе посмотреть на эту новую проблемную частицу. Да и в целом стоит повнимательнее рассмотреть все частицы.

Краткое руководство по всем частицам, с которыми вы встретитесь в этой главе[108]

Сведения о частицах

Аристотель возненавидел бы бозон Хиггса. По правде говоря, он испытал бы отвращение ко всем частицам. Его бы оттолкнула мысль о том, что калейдоскоп природы на самом деле состоит из миллиардов и миллиардов этих миниатюрных кирпичиков. Аристотель воевал с атомистами: вел кампанию против учения Левкиппа и его ученика Демокрита — первых физиков, занимавшихся частицами. Они говорили, что вся материя состоит из крошечных неделимых кусочков, находящихся в пустоте пространства. Философы утверждали, что эти частицы (они предпочитали называть их атомами[109]) могут иметь самые разные формы: одни выпуклые, другие вогнутые, на них могут быть крючки и дырки, с помощью которых они соединяются. Атомисты полагали, что их частицы могут объяснить человеческие ощущения. Например, причиной горечи становятся угловатые частицы, оказывающиеся на языке, а сладость исходит от более округлых. Современная теория элементарных частиц, конечно, немного сложнее, но в своей основе она поддерживает атомистическое представление. Материя действительно состоит из крошечных неделимых частиц, но теперь мы называем их кварками и лептонами. Они танцуют друг с другом и с переносчиками взаимодействий, которые сами являются частицами, но другого рода. Этот балет разрастается до уровня химических связей и животворного искусства биологии.

О чем вы думаете, когда представляете какую-нибудь частицу? Я не думаю, что вы воображаете крючки и дырки, как античные атомисты. Возможно, вы представляете пылинку или крупинку пыльцы. Это, безусловно, ближе к истине, но все равно не то, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о бозоне Хиггса, электроне или любой другой элементарной частице. Чтобы понять, что на самом деле представляет собой какая-то частица, нам сначала нужно поговорить о полях. В детстве я считал, что поле — это только место, где можно играть в футбол, однако в физике есть другие виды полей — невидимых сил, которые толкают и тянут. Существуют электромагнитные поля, проявляющие свою невидимую силу в притяжении магнита или в ярости грозы. И гравитационные поля, управляющие движением планет и разрывающие звезды, когда они слишком близко подходят к черной дыре. Но можно также представить электронные поля, кварковые поля и даже поле бозона Хиггса. На самом деле в поле нет ничего необычного или загадочного. Это просто нечто, принимающее разные значения в разных точках пространства и времени, и вы можете изобразить эти данные. Например, вы можете говорить о поле распределения температур на карте погоды, указывая неизбежные холода в Англии и тепло в Италии или Испании. Вы также можете говорить о поле атмосферного давления, отображающем давление воздуха, или о поле плотности в галактике, отображающем распределение межзвездного газа либо более крупных объектов, например звезд и планет. Электромагнитное поле — просто одна из таких карт, набор чисел, помечающих каждую точку пространства и времени, только теперь здесь кодируется сила электромагнитного фона.

Конечно, электромагнитное поле превосходит другие в одном смысле: это пример фундаментального поля, его нельзя разрезать и выявить лежащую в его основе структуру. Существуют и другие фундаментальные поля, такие как поле электрона, поле бозона Хиггса, поле верхнего кварка, нижнего кварка, Z-бозона и, конечно, гравитационное. Список можно продолжить. Некоторые из этих полей, например электронные и квантовые, имеют смысл только на квантовом уровне, а другие, например электромагнетизм и гравитация, могут существовать в макроскопических масштабах. Скоро мы объясним, как они работают. Но каким бы ни было поле, мы должны думать о нем как о некой специальной карте — ряде чисел, разбросанных по пространству и времени и кодирующих соответствующие физические эффекты. Например, если поле электронов везде равно нулю, вы можете быть уверены, что никаких электронов не найдете.

Где во всем этом появляются частицы? Как мы видели в главе «Число Грэма», частица в реальности является всего лишь крохотной вибрацией — квантовой рябью в квантовом поле. Представьте поверхность моря как аналог величины какого-то фундаментального поля; уровень медленно поднимается и опускается вместе с океанскими волнами. На вершине волны вы можете представить крошечную рябь — это эквивалент какой-то частицы. Рябь в разных полях дает разные частицы. Рябь в поле электрона дает электрон, в электромагнитном — фотон, в гравитационном — гравитон, в поле верхнего кварка — верхний кварк. Можно продолжать и дальше.

Также говорят о реальных или виртуальных частицах — у вас могут быть настоящие фотоны, но могут быть и виртуальные. То же справедливо для электронов, кварков, глюонов и всех прочих элементарных частиц. Все это звучит несколько загадочнее, чем есть на самом деле. Настоящая частица — та, которую вы можете «подержать в руке», например реальный фотон, испускаемый свечой, или реальный электрон, пролетающий через две щели в классическом эксперименте квантовой механики. Виртуальную частицу вы подержать не сможете. И не потому, что она теряется в эфире какой-то игры с виртуальной реальностью, а потому, что она вообще не частица. Это просто некое возмущение поля, вызванное другими частицами и другими полями. Например, электрон создает какое-то возмущение в электромагнитном поле, это возмущение ощущает другой электрон, и наоборот. Именно это возмущение и отталкивает электроны. Вы даже можете считать виртуальный фотон какой-то рябью, но это не настоящая частица в каком-либо смысле, а виртуальная. Рябь виртуального фотона не перемещается автоматически со скоростью света, как это происходит с реальными фотонами, и нет никакого способа ее ухватить.

Два электрона вызывают возмущение или рябь в электромагнитном поле, именно это мы подразумеваем под виртуальным фотоном. Слева —