Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса
Шрифт:
От этой аналогии не остается и камня на камне, стоит лишь задуматься, как это все выглядит в реальном мире. Попробуйте поплавать в патоке. Вы будете замедляться, а потом остановитесь, а вам уже известно, что частицы двигаются совсем иначе. Если вы что-то и запомнили из школьного курса физики, так разве что истертое, но не утратившее истинности утверждение Ньютона про тела, которые движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют сторонние силы.
Аналогий придумали множество. Одна из самых популярных — про кинозвезду, которая приходит на праздник. Стоит ей войти, и ее тут же окружают поклонники, что сильно мешает ее продвижению и существенно увеличивает массу. А вы можете зайти совершенно свободно, никто вас не остановит. В этой истории вы — фотон, а кинозвезда — Z0.
Поле
Сам Питер Хиггс уподоблял поле своего имени показателю рефракции стекла. Если свет проходит через стекло, то идет со скоростью меньше c. Поскольку свет в стекле, воде и прочих средах распространяется с постоянной скоростью (хотя и меньше c), соответствовать первому закону Ньютона нам удается. Сложность в том, что при надлежащем усилии преодолеть ограничения массы по большей части удается. У частиц есть масса, но нам все равно удается ускорять их до скоростей свыше 99 % скорости света.
Суть в том, что какие бы аналогии мы ни подбирали, без трудностей не обойтись. Прямо нутром чуешь, что масса — это что-то фундаментальное. А мысль о том, что массу можно приобрести при взаимодействии, идет решительно вразрез с нашим повседневным опытом. Ничего страшного. Довольно скоро мы убедимся, что почти вся, а может быть, и вся масса во вселенной — не более чем иллюзия.
Разумеется, весь этот карточный домик построен на предположении, что бозон Хиггса действительно существует.
А мы точно знаем, что бозон Хиггса существует?
Предсказать существование бозона Хиггса — это одно, а вот зарегистрировать его экспериментально — это совсем другое. В 2010 году начались работы на Большом адронном коллайдере — это ускоритель с окружностью в 27 километров, расположенный в Швейцарии и Франции, в котором протоны разгоняются до скоростей в 99,999996 % скорости света и сталкиваются друг с дружкой [103] . Для сравнения: замедление времени при подобных скоростях так велико, что, если верить ученым, внутренние часы протонов отсчитывают всего лишь около секунды за каждый час.
103
Это все магниты.
Большой адронный коллайдер — это один из крупнейших совместных научных проектов за всю историю науки: в нем участвуют буквально тысячи физиков, а начальные вложения составили примерно четыре миллиарда долларов.
Само собой, Большой адронный коллайдер строили не только для того, чтобы зарегистрировать бозон Хиггса. Остается надежда, что мы еще обнаружим неуловимую частицу темного вещества или откроем суперсимметрию, лежащую в основе стандартной модели физики. На свете полным-полно высокоэнергичных явлений, наблюдать которые у нас раньше не было возможности. Однако главным призом оставался бозон Хиггса.
Когда протоны разгоняются настолько близко к скорости света, как в Большом адронном коллайдере, и врезаются друг в друга, это причиняет им большие разрушения. В итоге возникает смерч, в котором создается множество высокоэнергичных частиц, в том числе, так уж получилось, и бозон Хиггса. Зарегистрировать бозон Хиггса как таковой крайне трудно. Это ведь нейтральная частица, а следовательно, ничего не излучает. Возможно, это для вас некоторая неожиданность. Когда в газетах объявляют, что на Большом адронном коллайдере или в ходе какого-то другого эксперимента была зарегистрирована та или иная частица, это зачастую означает совсем не то, что вы думаете. В ходе эксперимента ученым не приходится класть бозон Хиггса в чашку Петри или даже наблюдать его траекторию в пузырьковой камере. Нет, бозон Хиггса регистрируют, если замечают, что два высокоэнергичных гамма-луча [104] исходят из одной точки, после чего вычисляют массу и траекторию частицы по законам сохранения импульса и энергии.
104
В
В июле 2012 года представители рабочих групп, проводивших два эксперимента — на так называемом аппарате ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и на Компактном мюонном соленоиде (CMS) — объявили, что открыли бозон Хиггса, и это стало одним из важнейших открытий в физике частиц за последние 50 лет. Было обнаружено, что бозон Хиггса имеет массу примерно в 133 раза больше массы протона [105] .
Тут мои адвокаты настаивают, чтобы я сказал вам, что новая частица, судя по всему, обладает всеми качествами бозона Хиггса, однако для того, чтобы мы могли недвусмысленно заявить, что это именно бозон Хиггса, нужно проделать большую работу. Например, мы знаем, что открытая частица обладает либо спином-0 (и тогда это Хиггс!), либо спином-2, и отмахнуться от этого невозможно. Мы знаем, что он обладает массой, сопоставимой с массой частиц W и Z0, и для нас это не сюрприз, учитывая, чем бозон Хиггса, в сущности, занимается. В результате, хотя мы и не полностью убеждены в этом, большинство физиков воспринимает как данность, что мы видим именно бозон Хиггса.
105
Если вы читали полупрофессиональные обсуждения бозона Хиггса в Интернете, то там обычно указана масса в 125 гигаэлектроновольт. Поскольку масса и энергия эквивалентны, это просто ученое выражение, обозначающее, сколько энергии потребуется, чтобы создать бозон Хиггса с нуля.
После этого открытия в популярной прессе начался настоящий бум. Заголовок в «New York Times» гласил: «Физики обнаружили неуловимую частицу, которую считают ключом к тайнам вселенной». Практически во всех журнальных и газетных статьях бозон Хиггса называли «частицей Бога» [106] . Авторы благоговейным тоном сообщали, что вот-вот мы достигнем конца физики и теперь наконец-то понимаем природу вещества. Притащите на тематическую вечеринку новенького «Тысячелетнего Сокола» в «родной» упаковке — получите ту же реакцию.
106
Повторяю, не делайте так, пожалуйста!
И хотя открытие бозона Хиггса — это и правда огромная сенсация, выяснилось, что наличие этой частицы объясняет существование на удивление небольшой доли массы, которая окружает нас в повседневной жизни.
Какую массу дает бозон Хиггса, а какую нет
Поле Хиггса придумали, чтобы объяснить, как так вышло, что у бозонов W и Z0 есть масса, а у других переносчиков нет. Объяснение состоит в том, что в самом начале существования вселенной произошло спонтанное нарушение симметрии — нарушение, которое помимо всего прочего разлучило электромагнетизм со слабым взаимодействием. Однако это не объясняет — по крайней мере непосредственно — откуда взялась масса у других частиц, а соображения симметрии подсказывают, что все фермионы должны обладать нулевой массой. Хорошо, что это не так. Если бы у электрона не было массы, было бы невозможно создать стабильные атомы и молекулы.
В первой главе мы видели, что в нашей вселенной нарушается Р-симметрия, она же пространственная четность. Физика в зеркале заднего вида выглядит совсем не так, как наша.
Как вы, вероятно, помните, повинно в этом слабое взаимодействие. Каждый раз, когда оно участвует в каком-то взаимодействии, все до единого нейтрино, которые при этом возникают, оказываются леворукими. Иначе говоря, когда они летят прямо на вас, то крутятся по часовой стрелке. Леворукость распространяется на все фермионы, участвующие в слабом взаимодействии — то есть, распространялась бы, если бы у них не было массы. А масса у них есть, поэтому эта асимметрия не идеальна. Подобная определенность спина теснейшим образом связана с остальными симметриями, с которыми мы уже знакомы, и в особенности, со скоростью света.