Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Кроме этих хорошо известных силовых полей имеются две другие силы природы, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие, и они также переносятся полями. Ядерные силы не так привычны, как электромагнетизм и гравитация, поскольку они действуют только на атомных и субатомных масштабах. Но даже при этом их влияние на повседневную жизнь благодаря ядерным реакциям, заставляющим Солнце светить, ядерным реакциям, сопровождающим работу атомных реакторов, а также радиоактивному распаду элементов, таких как уран и плутоний, не менее важно. Поля сильного и слабого ядерного взаимодействия называются полями Янга–Миллса в честь Чжэньнина Янга и Роберта Миллса, которые в 1950-е гг. разработали основы теории таких полей. И точно так же, как электромагнитные поля составлены из фотонов, а поля тяготения, как мы думаем, должны быть составлены из гравитонов, сильные и слабые поля тоже имеют частицы в качестве своих составляющих. Частицы сильного взаимодействия называются глюонами, а частицы слабого взаимодействия называются W- и Z-частицами. Существование этих частиц было подтверждено экспериментами на ускорителях, проведёнными в Германии и Швейцарии в конце 1970-х и начале 1980-х гг.

Поля имеют отношение также и к материи. Грубо говоря, вероятностные волны квантовой механики можно представить как поля, заполняющие пространство, которые определяют вероятность, с которой та или иная частица материи находится в том или ином месте. Например, электрон может рассматриваться как частица — одна из тех, что могут оставить точку на фосфоресцирующем экране, как на рис. 4.4, — но он может (и должен) также рассматриваться в терминах волнового поля, которое может дать интерференционную картину на фосфоресцирующем экране, как на рис. 4.3б{176}. Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в подробности{177}, вероятностная волна электрона тесно связана с объектом, который называется электронным полем — полем, которое во многих отношениях сходно с электромагнитным полем, но в котором электрон играет роль, аналогичную фотону, будучи мельчайшей составляющей электронного поля. Полевое описание того же типа справедливо и для всех других разновидностей частиц материи.

Вы можете подумать, что мы охватили всё, рассмотрев материальные и силовые поля. Но существует общее убеждение, что на этом дело далеко не кончается. Многие физики твёрдо уверены, что имеется ещё третий тип поля, который пока экспериментально не обнаружен, но который в течение последней пары десятилетий играл центральную роль как в новейших космологических теориях, так и в физике элементарных частиц. Это поле называется полем Хиггса в честь шотландского физика Петера Хиггса{178}. И если идеи следующего раздела верны, то вся Вселенная пронизана океаном поля Хиггса — холодным следом Большого взрыва, — который отвечает за многие свойства частиц, из которых состоите вы и я, и всё, с чем мы сталкиваемся.

Поля в охлаждающейся Вселенной

Поля реагируют на температуру примерно так же, как и обычная материя. Чем выше температура, тем больше будет величина вибрации поля — подобно поверхности бурно кипящего котелка воды. При низкой температуре, характерной сегодня для глубокого космоса (2,7° выше абсолютного нуля или, как это обычно обозначается, 2,7K — по Кельвину), или даже при более высоких температурах здесь на Земле такая вибрация поля ничтожна. Но температура сразу после Большого взрыва была столь огромна (считается, что через 10−43 с после Большого взрыва температура была около 1032K), что все поля колебались со страшной силой.

По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, начальная гигантская плотность материи и излучения неуклонно падала, безбрежные просторы Вселенной становились всё более пустыми и колебания поля ослабевали. Для большинства полей это означало, что их величина в среднем стремилась к нулю. В некоторый момент величина определённого поля может подняться немного выше нуля (пик), моментом позже она может опуститься немного ниже нуля (впадина), но в среднем величина большинства полей близка к нулю — к величине, которую мы интуитивно ассоциируем с отсутствием чего-либо или с пустотой.

Именно тут проявляет себя поле Хиггса. Исследователи пришли к пониманию, что имеется множество полей, которые имеют сходные свойства при огромных температурах сразу после Большого взрыва: они неистово колеблются вверх-вниз. Но исследователи уверены, что когда температура Вселенной существенно упала, поле Хиггса сконденсировалось в особую ненулевую величину по всему пространству (точно так же, как пар конденсируется в жидкую воду, когда его температура существенно падает). Физики говорят об этом как о возникновении ненулевой величины вакуумного среднего поля Хиггса — но, чтобы упростить технический жаргон, я буду говорить об этом как о формировании Хиггсова океана.

Это похоже на то, что будет происходить, если вы посадите лягушку в горячую металлическую чашу, как показано на рис. 9.1а, с кучей червяков в центре. Сначала лягушка будет прыгать так и сяк — высоко вверх, вниз, влево, вправо — в отчаянных попытках спасти свои лапы от ожога, и в среднем будет находиться так далеко от червяков, что даже не будет знать, что они здесь есть. Но по мере остывания чаши лягушка будет успокаиваться, будет прыгать слабее и мягко скатится в наиболее спокойное место на дне чаши. Там, приблизившись к центру чаши, она, наконец, встретится со своим ужином, как показано на рис. 9.1б.

Рис. 9.1. (а) Лягушка, брошенная в горячую металлическую чашу, постоянно прыгает по ней. (б) Когда чаша остывает, лягушка успокаивается, прыгает намного меньше и скатывается вниз к середине чаши. (в) Как и на рис. а, но с горячей чашей иной формы. (г) Как и на рис. б, но теперь, когда чаша остывает, лягушка соскальзывает вниз в жёлоб, который находится на некотором расстоянии от центра чаши (где находятся червяки)

Но если чаша имеет иную форму, как показано на рис. 9.1в, события будут разворачиваться иначе. Представьте снова, что чаша сначала очень горяча и кучка червяков опять лежит в центре чаши, но теперь центр приподнят в виде возвышения. Если вы посадите в чашу лягушку, она опять будет неистово прыгать туда-сюда, оставаясь в неведении относительно приза, возвышающегося по центру. Теперь, когда чаша остынет, лягушка успокоится, уменьшит свои прыжки и сползёт вниз по скользкой стенке чаши. Но из-за новой формы лягушка никогда не достигнет центра чаши. Вместо этого она сползёт к жёлобу чаши и останется на расстоянии от кучи червяков, как показано на рис. 9.1г.

Если мы представим, что расстояние между лягушкой и кучкой червяков представляет величину поля, — чем дальше лягушка от червяков, тем больше величина поля, — а высота положения лягушки представляет энергию, содержащуюся в такой величине поля, — чем выше в чаше оказывается лягушка, тем большую энергию содержит поле, — то эти примеры хорошо показывают поведение полей при охлаждении Вселенной. Когда Вселенная горяча, поля неистово мечутся от одного значения к другому, почти как лягушка, прыгающая с места на место в чаше. Когда Вселенная охлаждается, поля «успокаиваются», прыгают реже и не столь безумно, и их величина сползает вниз к меньшей энергии.

Но есть одно обстоятельство. Как и в примере с лягушкой, имеется возможность двух качественно разных исходов. Если форма чаши энергии поля — так называемая потенциальная энергия — подобна рис. 9.1а, величина поля во всём пространстве будет сползать всеми способами вниз, к нулю, к центру чаши, точно так же, как лягушка разными способами соскальзывает к куче червяков. Однако если потенциальная энергия выглядит подобно рис. 9.1в, величина поля не будет стремиться к нулю, т. е. к центру энергетической чаши. Вместо этого, точно так же, как лягушка соскользнёт в жёлоб, который находится на ненулевом расстоянии от кучки червяков, величина поля также сползёт вниз в жёлоб, расположенный на ненулевом расстоянии от центра чаши, — и это означает, что поле будет иметь ненулевую величину{179}. Такое поведение и является характерным для полей Хиггса. Когда Вселенная остывает, величина поля Хиггса застревает в жёлобе и никогда не становится нулевой. А поскольку то, что мы описываем, будет происходить однородно во всём пространстве, то Вселенная будет пропитана однородным и ненулевым полем Хиггса — Хиггсовым океаном.

Причина, по которой это происходит, проливает свет на фундаментальную особенность полей Хиггса. Когда область пространства становится всё холоднее и всё более пустой — когда материя и излучение становятся всё более разреженными, — энергия в области становится всё более низкой. В предельном случае можно получить наипустейшую область пространства, понижая её энергию настолько, насколько это возможно. Для обычных полей их вклад в энергию будет наименьшим, когда их величина как-нибудь скатится вниз к центру чаши, как на рис. 9.1б; они имеют нулевую энергию, когда их величина равна нулю. Это имеет интуитивно ясный смысл, поскольку мы ассоциируем опустение области пространства с обращением всего, включая величины полей, в нуль.