Удивительный мир внутри атомного ядра - Игорь Иванов

На самом деле, это жутко интересно, потому что вот как физик-теоретик реально работает с этим? Когда он хочет исследовать какой-нибудь объект, он что-то знает про него — например, когда он исследует вещество, то знает, что вещество состоит из атомов. Он пишет уравнения: есть атомы и силы взаимодействия между ними — это как бы начальные данные. Это очень просто и в них ничего не видно. А вот потом он пытается эти уравнения решать. Как в школе, только эти уравнения решать очень сложно, поскольку они друг с другом сильно перепутаны. Но тем не менее пытаемся решать. И когда мы начинаем их решать, какие-то формулы появляются, и вот там это всё вдруг проступает. И вот это — очень завораживающее зрелище, потому что вы ничего изначально не закладывали, но какое-то явление, которое вы видите в нашем мире, вдруг само по себе рождается из формул. Это очень впечатляет, когда это всё видишь реально.

Хиггсовское поле

«Еще один источник массы: Всю Вселенную заполняет невидимое хиггсовское поле. Частицы «цепляются» за него и становятся массивными. На коллайдере LHC изучат, как именно возникает это поле».

Тот источник массы, про который я говорил, — масса протона — на самом деле только один из возможных. Реально в природе действуют по крайней мере два — может быть, больше, мы не знаем. Второй источник массы дает массу легким частичкам типа электронов, кварков и т. д. И это совсем другой механизм, и теория, которая его описывает, тоже совсем другая. Эту теорию до конца еще не проверили, но многие ее предсказания уже сбылись, и ее будут очень активно исследовать на этом большом, огромном коллайдере, этом большом эксперименте.

Вкратце теория такая. На самом деле, там много деталей, теорем строго математических, но основное утверждение такие. Изначально все частицы — кварки, электроны и так далее — были абсолютно безмассовые. Это значит, что вот, например, летит рой электронов, на него подействовала небольшая сила, и он улетел куда-то вбок. То есть это частицы, у которых нет практически никакой инертности, они легко под действием маленьких сил улетают куда-то вбок. Потом, в силу какого-то механизма, каких-то особенностей — это всё тоже изучается — всю Вселенную заполняет некое невидимое хиггсовское поле. «Хиггсовское» — от фамилии английского ученого Питера Хиггса, который придумал эту вещь, английский ученый, в честь него это всё и называется.

Это поле равномерно заполняет всю Вселенную, его не видно, потому что все частицы движутся сквозь него. Но, когда они движутся сквозь него, они за него немножко цепляются. Это сложно представить себе, но вот поверьте, в некотором смысле они за него цепляются. Это значит, что поле не дает частицам слишком быстро разгоняться. Пролетели частицы, на них подействовали какой-нибудь силой, они попытались отлететь, но поле им мешает. В результате они, конечно, отлетают, но как-то неохотно, как будто у них появилась дополнительная инертность, как будто им просто не хочется двигаться. В результате в формулах это выглядит так, будто у них появилась масса. Это совсем другой тип появления массы. Здесь нет никакой исходной энергии, которая как бы конденсировалась. Есть просто движение сквозь некоторую среду, которую мы не видим, но эта среда сказывается, а именно, она придает массу этим частицам.

В этом механизме есть много деталей, я их не буду рассказывать, но хочу, чтобы вы прочувствовали этот механизм. Для этого я расскажу аналогию, которую вы можете даже дома провести, просто реальный эксперимент. Возьмите кусок пенопласта и покрошите его. Когда он крошится на мелкие кусочки, получаются маленькие пенопластовые шарики. Он очень легкие. Вы можете их накрошить на стол и подуть на них — они разлетятся. Это аналогия безмассовых частиц — то есть частиц, у которых очень маленькая инертность.

Теперь аккуратно налейте на стол воды и покрошите сверху пенопласт. Подождите, чтобы он немного промок, и снова слегка подуйте на него. Вы увидите, что шарики отплывают, но как-то уже неохотно. Если бы мы не видели эту воду, нам бы казалось, что у них появилась какая-то странная инертность, которой раньше не было. Эта инертность возникает из-за того, что им при движении приходится продираться сквозь среду. В данном случае — сквозь воду, а в реальности — сквозь хиггсовское поле.

Вопрос: Откуда вообще берется хиггсовское поле?

Вот это сложная вещь, на самом деле, — откуда оно берется. Когда вы конструируете модели микромира, то вы вводите вещи, которые пока что непонятно — берутся они откуда-нибудь или не берутся. Потом это может выясниться. Скажем, может выясниться, что оно берется действительно неизбежно из какой-то более глубокой теории. Были примеры в истории физики в свое время, когда что-то постулировали, а потом выводили это из более глубокой теории. Как будет с хиггсовским полем, пока не понятно. Я подчеркну, что это еще не доказано. То есть эта теория, которая уже считается общепринятой, по косвенным проявлениям вроде бы работает, но для того, чтобы ее окончательно доказать, надо провести эксперимент на Большом адронном коллайдере и найти эту частицу — бозон Хиггса, ту частицу, за которую люди хотят получить Нобелевскую премию (и, скорее всего, получат).

Вопрос: Получается, что при прохождении через хиггсовское поле частицы не теряют энергию?

Важно понимать отличие между хиггсовским полем и моей аналогией с водой: хиггсовское поле мешает ускоряться, а вода мешает двигаться. Через хиггсовское поле можно спокойно лететь с постоянной скоростью, и оно не будет мешать; оно мешает ускоряться. Действительно, есть такие примеры из обычной жизни, когда возникает какая-то сила, которая мешает ускоряться.

Разные частицы цепляются за это хиггсовское поле по-разному: некоторые сильнее, некоторые слабее. Некоторые частицы вообще не цепляются. Например, электромагнитные волны и свет не цепляются, поэтому они получаются без массы. Те частицы, которые цепляются очень сильно, становятся очень массивными.

Вопрос: Хотелось бы уточнить: хиггсовское поле — это единственное, что наделяет частицы массивностью и инертностью, или есть другие причины этого?

Я уже сказал, что это второй механизм, а был еще первый, по которому протоны становились массивными. Тот факт, что протоны становились массивными, никак не связан с хиггсовским полем. Можно представить себе мир, в котором вообще не было бы хиггсовского поля. Тогда бы электроны были безмассовые, кварки были бы безмассовые, а протоны были бы так же массивны, как они в нашем мире весят, потому что это совсем другой механизм.

Первый механизм описывается конденсированием глюонного облака. Довольно сложно математически, но суть примерно такая. Здесь описывается как некоторое поле, сквозь которое приходится продираться. Есть еще и другие механизмы — скорее всего, есть, но я уж не буду про них говорить.

Вопрос: Получается, есть два механизма возникновения массы. Хиггсовское поле действует на глюонное облако?

Хиггсовское поле непосредственно на глюоны не действует. Но это надо говорить аккуратно, потому что оно не действует на глюоны как частицы, но оно действует на конденсат. Это непросто. Там много тонкостей, но, проще говоря, непосредственно на глюонное поле оно не действует. И тем не менее, за счет виртуальных поправок оно с ним связано.

Вопрос: Я думаю, можно объяснить через хиггсовское поле скорость света. Раз хиггсовское поле обеспечивает массу телу, то получается, что его энергия, деленная на скорость света, есть масса? Должно быть какое-то воздействие хиггсовского поля на свет, иначе он не обладал бы энергией.

Эти вещи не связаны. Есть такой термин из истории физики — эфир. «Светоносный эфир». Это некая постулированная среда, колебания которой являются электромагнитными волнами. Так считали более ста лет назад. На самом деле, сейчас считается, что этот эфир совершенно не обязателен, современная теория электромагнитных явлений обходится без него.

Хиггсовское поле может показаться немного похожим на эфир, потому что оно тоже пронизывает всю вселенную. На самом деле, оно не обладает свойствами, которые нужны для эфира. Оно, например, совершенно не воздействует на фотоны. Фотоны просто проходят и проходят, им наплевать. И это можно легко понять, ну, не то, чтобы понять — это просто экспериментальный факт. Тот факт, что мы видим очень далекие квазары, свет от которых шел к нам 10 миллиардов лет, означает, что с фотонами за это время ничего не случилось. Иначе они бы как-то распределились, размазались, а мы видим четкое изображение этих квазаров. А в течение всего этого времени свет действительно идет через хиггсовское поле. Ну, если, конечно, эта теория верна — а она на 99% верна.