Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Таким образом, при температурах достаточно больших, как показывает расчет, превышающих миллион миллиардов градусов, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами. Его переносчики — упомянутые бозоны и γ-фотоны — имеются в изобилии и не обладают массами. Оказывается, что при этом нет массы не только у переносчиков взаимодействия, но и у всех перечисленных выше частиц — кварков и лептонов! В этом смысле они подобны фотонам. Что же происходит с понижением температуры?

Явная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием нарушается, пропадает. Как и почему это происходит?

Дело в том, что в игру вступают новые поля и их кванты — новые частицы, о которых мы пока ничего не говорили. Это так называемые частицы Хиггса, названные по имени их изобретателя. Они-тο и нарушают симметрию. Если бы не было этих полей, то все частицы оставались бы безмассовыми и при низких температурах, и симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями сохранялась бы. Но прежде чем говорить о хиггсовских полях и нарушении симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями, мы хотим напомнить читателю один простой опыт.

Представим себе шарик, который может кататься в ложбине, имеющей симметричную форму. Если положить шарик в любое место ложбины, то он скатится вниз на дно и, поколебавшись вокруг наинизшей точки, остановится на дне ложбины. Читатель, наверное, помнит, что чем выше поднимать какой-либо груз над наинизшим возможным уровнем, тем больше будет в поле тяготения его потенциальная энергия, пропорциональная высоте подъема. Таким образом, когда шарик находится где-то на склоне ложбины, его потенциальная энергия тем больше, чем он выше, а значит, чем дальше он находится от оси симметрии. На дне ложбины шарик имеет наименьшую энергию или, как иногда говорят, шарик находится на дне потенциальной ямы.

Пока все очень просто. Давайте теперь поставим вопрос: всегда ли при симметричной форме ложбины шарик успокаивается в положении на оси симметрии? Нет, это не всегда так. Сделаем в нашей ложбинке в центре небольшую горку. Где бы мы ни помещали теперь шарик, он, скатываясь, будет успокаиваться не на оси симметрии, а в наинизших точках сбоку от центральной горки. Его положение в покое будет явно несимметричным, несмотря на совершенно симметричную ложбину с горкой.

Правда, если положить шарик точно на вершину центральной горки, то он останется лежать в симметричном положении. Но это не может продолжаться долго, ибо такое положение неустойчиво и при малейшем возмущении он скатится вбок, занимая устойчивое несимметричное положение.

Этот пример показывает, как в совершенно симметричной системе с симметричным начальным положением (на вершине горки) возникает явно несимметричное устойчивое окончательное состояние. При этом нарушение симметричного состояния и то, куда скатится шар, зависят от случая и происходят внезапно, как говорят, спонтанно. Поэтому такой процесс нарушения симметрии получил название спонтанного.

Вернемся к частицам и полям. При их взаимодействиях также может возникать потенциальная энергия. При этом величина потенциальной энергии может условно описываться положением шарика в ложбине. В разных ситуациях ложбина может быть с центральной горкой или без таковой. Конечно, с непривычки читателю трудно представить себе, какое отношение поле может иметь к шарику в ложбине. Но абстрактные картинки широко распространены в науке. Здесь, в этой картинке, высота шарика над дном ложбины описывает потенциальную энергию поля.

Вернемся теперь к хиггсовским полям. Они могут находиться в двух состояниях. При температуре больше миллиона миллиардов градусов поля существуют в виде отдельных элементарных частиц. С понижением температуры до указанного значения хиггсовские поля претерпевают, как говорят, фазовый переход, они «конденсируются» подобно воде из охлаждаемого перегретого пара. При этом возникает «конденсат» хиггсовских полей, не зависящий ни от места в пространстве, ни от времени. И в создавшихся условиях его никак нельзя устранить. Таким образом, это, по существу, вакуум. Физики так и говорят — возник «новый вакуум».

Положение шарика на вершине центральной горки соответствует «старому вакууму». При больших температурах форма ложбины была другой, ее склоны поднимались вверх сразу от центра горки, и это положение шарика было устойчивым. «Старый вакуум» иногда называют «ложным вакуумом» или «вакуумноподобным состоянием». (Этот последний термин мы часто будем употреблять.) С понижением температуры форма ложбин приобретает вид ложбины с центральной горкой.

Образование нового вакуума эквивалентно скатыванию шарика в наинизшее состояние — в ложбину с центральной горки. Шарик скатывается в наинизшее энергетическое состояние и успокаивается на дне ложбины сбоку от центральной горки. Но положение его явно несимметрично. Возникло «перекошенное» состояние.

Поэтому хиггсовские поля расщепляются на непохожие составляющие. Одной соответствует квант — массивная частица, не обладающая спином, другой — частица нулевой массы, которая поглощается частицами-переносчиками, и из-за этого W +-, W --, Z 0-бозоны  приобретают массу (мы не будем здесь объяснять, почему это происходит). Одновременно приобретают массу частицы материи с полуцелыми спинами — кварки и некоторые (а может быть, и все) лептоны. Последнее получается из-за того, что они взаимодействуют с несимметричным конденсатом хиггсовских полей, составивших новый (несимметричный) вакуум. Мы и здесь не будем пояснять, как это происходит. Подобное пояснение достаточно сложно, а мы и так, наверное, несколько перегрузили читателя необычной информацией.

Фотон же — переносчик только электромагнитных взаимодействий — остался безмассовым.

Вот к каким многогранным последствиям привело «скатывание» хиггсовских полей с понижением температуры в несимметричное состояние нового вакуума. Спонтанно нарушилась симметрия.

Наверное, несколько абстрактно и непривычно выглядят рассуждения о симметричном и несимметричном положении шарика, о «скатывании» полей с энергетических горок. Но ничего не поделаешь, даже в простейшем изложении от читателя здесь требуется некоторая внимательность и фантазия.

Теперь после «скатывания» уже переносчики слабого взаимодействия приобрели массу. Эта масса делает слабое взаимодействие чрезвычайно близкодействующим, а безмассовый фотон по-прежнему обеспечивает электромагнетизму дальнодействие. Теперь и не узнать былой симметрии. Та симметрия, которая была явной и очевидной при больших температурах, теперь нарушилась и стала скрытой.

Вот почему физикам было так трудно ее распознать в условиях сегодняшней Вселенной. Но они это сумели сделать! За создание единой теории электрослабых взаимодействий С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были в 1979 году удостоены Нобелевской премии.

Теория рассмотренных процессов в самом начале расширения Вселенной, когда были огромные температуры, была предложена советским физиком Д. Киржницем. Позднее эта теория разрабатывалась им совместно с молодым физиком А. Линде.

Не все детали описанной выше картины подтверждены с одинаковой степенью надежности. Так, пока не обнаружены хиггсовские массивные частицы. По крайней мере один сорт таких тяжелых частиц должен остаться после описанных коллизий, и он должен существовать в сегодняшней Вселенной. Хотя обнаружить подобные частицы в эксперименте очень трудно, но физики верят в успех подобных поисков.

Обратимся теперь к сильным взаимодействиям. Частицы, испытывающие сильное взаимодействие, — кварки, и не испытывающие его — лептоны, выглядят по этому признаку как совершенно различные, их превращение друг в друга кажется невозможным.

Сильное взаимодействие, как уже было сказано, связано с наличием у кварков «цветных» зарядов, и поэтому его иногда называют цветной силой.

Начнем с рассмотрения следующего вопроса. Почему все же кварки находятся в связанном состоянии внутри бариона или мезона? Разве нельзя придать кварку достаточно большую энергию, оторвать его от других кварков (как бы сильно они ни были связаны друг с другом) и заставить вылететь из бариона?