Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос

Всё несколько усложняется, когда мы переходим к части уравнения под названием «материя». Материальные поля соответствуют фермионам и все вместе обозначаются буквой ψ. Как и в случае с бозонами, этот единственный символ означает сразу все фермионы. В первом члене буква ψ встречается дважды: один раз с греческой буквой γ (гамма), а другой раз — с буквой D. Буква γ соответствует матрицам Дирака, предложенным британским физиком Полем Дираком. Матрицы Дирака играют ключевую роль при описании свойств фермионов — в частности, отражают тот факт, что у каждой частицы-фермиона обычно есть античастица. D в данном случае означает производную поля, то есть скорость его изменения. Итак, данный член решает для фермионов ту же задачу, которую предыдущие члены решали для силовых бозонов: сообщает, насколько поле изменяется в пространстве и во времени. Однако в этой производной есть нечто скрытое (вновь волшебство компактной записи): речь идёт о связи, или взаимодействии между фермионами и силовыми бозонами, которое зависит от заряда фермионов. Так, данный член на практике характеризует взаимодействие электрона с протоном.

Следующий член уравнения описывает связь другого типа, возникающую между фермионами и полем Хиггса Φ. В отличие от остального действия Базовой теории взаимодействие между фермионами и полем Хиггса кажется несколько причудливым и непривлекательным. Но вот оно: две буквы ψ и одна буква Φ сообщают нам, что этот член описывает взаимодействие между фермионами и полем Хиггса. Здесь есть две сложные детали. Во-первых, это символ V_ij — так называемая матрица смешивания. Эта матрица позволяет отслеживать, как фермионы могут «смешиваться» друг с другом: так, топ-кварк при распаде на самом деле превращается в особую смесь d-кварка, странного кварка и b-кварка.

Второе осложнение таково: как видите, у одного из фермионных полей есть нижний индекс L, а у другого — R. Они обозначают поля «левой руки» и «правой руки». Допустим, вы отставили большой палец левой руки вдоль того направления, в котором закручивается вращающаяся частица. Остальные ваши пальцы указывают возможное направление спина; если именно в этом направлении частица и вращается, то она относится к частицам «левой руки», в противном случае — к частицам «правой руки». Данные нижние индексы, появляющиеся в этом члене Базовой теории, указывают, что теория описывает «левую» и «правую» ориентацию по-разному, по крайней мере на субатомном уровне. Эта черта является не только примечательной, но и необходимой, поскольку природа по-разному обращается с лево-ориентированными и право-ориентированными частицами. Когда специалисты по физике частиц впервые обнаружили этот феномен, именуемый несохранение чётности, они были поражены, но сегодня этот феномен считается просто одним из ряда явлений, которые возникают при взаимодействии полей.

Последний элемент этого члена «h. c.» означает эрмитово сопряжение. Таким необычным способом мы говорим о следующем: первый член представляет собой комплексное число, но действие должно быть представлено действительным числом, поэтому нам понадобится вычесть из комплексного числа его мнимую часть и получить совершенно реальную величину.

Наконец мы подходим к той части действия, которая касается поля Хиггса Φ. Здесь всё довольно просто: первый член является «кинетическим» и показывает, насколько изменяется поле. Второй член является «потенциальным» и демонстрирует, сколько энергии заключено в поле, даже если оно не изменяется. Именно во втором члене заключена вся специфика поля Хиггса. Подобно любому полю, оно стремится покоиться на минимально возможном энергетическом уровне; но в отличие от других известных полей поле Хиггса на таком минимуме не исчезает, а имеет ненулевое значение. Его потенциальная энергия выше при нулевом значении поля, чем при ненулевом. Именно поэтому поле Хиггса присутствует везде, даже в «пустоте», и воздействует на все проходящие через него частицы.

* * *

Вот и вся сущность Базовой теории. Всего одно уравнение сообщает нам, что квантовая амплитуда всей совокупности полей изменяется от некой исходной конфигурации (входящей в состав суперпозиции в рамках волновой функции) до другой, конечной конфигурации.

Известно, что Базовая теория, а значит, и всё уравнение — никак не последнее слово в физике. Во Вселенной существует тёмная материя, не вписывающаяся ни в одно из известных полей. Нейтрино обладают массой, что можно увязать с вышеприведённым уравнением, но пока не доказано экспериментально, что массы нейтрино обусловлены именно теми членами, которые мы в него включили. Более того, практически все физики считают, что нам ещё предстоит открыть новые поля и частицы, но эти частицы и поля должны либо очень слабо взаимодействовать с нами (подобно тёмной материи), либо очень быстро распадаться.