Частица на краю Вселенной

Давно было замечено, что одна из этих четырех сил выделяется из прочих своей странностью – это слабая сила. Заметим, что гравитационному взаимодействию соответствуют гравитоны, электромагнитному – фотоны, а сильному взаимодействию – глюоны. По одному виду бозонов для каждой силы. Слабому же взаимодействию соответствуют сразу три различных бозона – нейтральный Z– и два заряженных W-бозона. И сами эти бозоны также ведут себя весьма странно: испуская W-бозон, фермион одного вида может превратиться в фермион другого вида, например нижний кварк может испустить W-бозон и превратиться в верхний кварк. Нейтроны, которые состоят из двух нижних кварков и одного верхнего, распадаются, когда оказываются вне ядра, – один из нижних кварков испускает W-бозон, и нейтрон превращается в протон, который состоит из двух верхних и одного нижнего кварков. Ни одна другая фундаментальная сила не меняет вида частиц, с которыми взаимодействует.

По большому счету слабое взаимодействие – сплошная головная боль. И причина проста – всему виной бозон Хиггса.

Бозон Хиггса в корне отличается от всех других бозонов, которые, как мы увидим в главе 8, возникают из-за какого-либо вида симметрии природы, связывающей происходящее в разных точках пространства. Как только возникает такая симметрия, неизбежно появляется бозон. Но не таков бозон Хиггса. Нет такого базового принципа, который бы требовал его введения, но он тем не менее существует!

После того как 4 июля на БАКе объявили об открытии бозона Хиггса, были предприняты сотни попыток объяснить, что это все должно означать. Сложность проблемы состоит главным образом в том, что на самом деле интересен не столько сам бозон Хиггса, сколько поле Хиггса, которое порождает этот бозон. Из физики, точнее из квантовой теории поля – основного свода законов физиков элементарных частиц, которым ученые неукоснительно следуют, – известно, что все возможные частицы на самом деле возникают из полей. Но квантовой теории поля детей в средней школе не учат. И в популярных книгах по физике она не часто обсуждается. Мы рассказываем о частицах, квантовой механике и теории относительности, но редко вытаскиваем на поверхность лежащие в основе всех этих теорий волшебные свойства квантовой теории поля. Однако, когда речь заходит о бозоне Хиггса, избежать обсуждения решающей роли поля во всех этих процессах уже невозможно.

Когда ученые говорят о «поле», имеется в виду «что-то, что имеет некоторую величину в каждой точке пространства». Температура земной атмосферы является полем – в каждой точке на поверхности Земли (или на любой высоте над поверхностью) воздух имеет определенную температуру. Плотность и влажность атмосферы также являются полями. Но это не фундаментальные поля – это просто свойства самого воздуха. Электромагнитное или гравитационное поля, напротив, считаются фундаментальными. Они не сделаны ни из чего другого, они – то, из чего состоит мир. Согласно квантовой теории поля, абсолютно все сделано из одного поля или комбинации полей, а то, что мы называем «частицами», – крошечные колебания этих полей.

И здесь как раз выходит на сцену «квантовая» часть квантовой теории поля. Можно долго рассказывать о квантовой механике – возможно, самой таинственной теории из всех, когда-либо придуманных человеком, но нам понадобится от нее только одно простое заключение (но с которым так трудно смириться, что даже великий Эйнштейн его не принял): мир, на который мы смотрим, сильно отличается от того, каким он является на самом деле.

Физик Джон Уилер однажды поставил задачу: как наилучшим образом объяснить квантовую механику, используя не более пяти слов? В современном мире технически легко получить варианты ответов на любые вопросы, допускающие короткий ответ. Нужно просто отправить запрос в твиттер, размер сообщений в котором ограничивается 140 символами. Когда я задал в «Твиттере» этот вопрос о квантовой механике, лучший ответ прислал Аатиш Бхатия (@ aatishb): «Не смотришь – волны, смотришь – частицы». Это краткое изложение квантовой механики.

Каждая частица в составе Стандартной модели, если копнуть глубже, оказывается волной колебаний определенного поля. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – это колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве. Гравитоны – это колебания гравитационного поля, глюоны – колебания глюонного поля и так далее. Даже фермионы – частицы вещества – это колебания соответствующего фермионного поля. Существует поле электронов, поле верхних кварков и поля всех других видов частиц. Подобно тому как звуковые волны распространяются в воздухе, колебания распространяются в квантовых полях, и мы их наблюдаем в виде частиц.