Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать
Самые важные вершины, соответствующие взаимодействиям между обычными частицами стандартной модели и бозоном Хиггса, показаны на рис. 22, где частица Хиггса, изображенная точечным пунктиром, вступает во взаимодействие с самым тяжелым кварком – истинным кварком (обозначенным как t), а также с достаточно тяжелыми частицами W и Z. Пожалуй, вряд ли стоит удивляться тому, что частица, которая отвечает за происхождение массы, предпочитает вступать во взаимодействие с самыми массивными частицами. Зная, что протоны представляют собой источник кварков, наша задача – найти способ внедрения вершины частицы Хиггса в более крупную диаграмму Фейнмана. После этого мы сможем понять, как в БАК могут образоваться бозоны Хиггса. Поскольку кварки взаимодействуют с бозонами W (или Z), не составляет труда определить, как бозоны Хиггса могут быть образованы с помощью частиц W (или Z). Результат показан на рис. 23: кварки, полученные от каждого из сталкивающихся протонов (обозначенных как p), испускают частицу W (или Z), затем эти частицы сливаются воедино и образуют бозон Хиггса. Считается, что этот процесс, названный слиянием промежуточных бозонов, станет ключевым процессом, протекающим в БАК.
Рис. 22
Рис. 23
Механизм образования истинного кварка немного сложнее. Истинных кварков в протонах нет, поэтому нам необходимо найти способ перейти от легких (верхних или нижних) кварков к истинным. Так вот, истинные кварки взаимодействуют с более легкими кварками посредством сильного взаимодействия – другими словами, с помощью испускания и поглощения глюона. Результат показан на рис. 24. Этот процесс очень напоминает процесс слияния промежуточных бозонов, за исключением того, что здесь место частиц W и Z занимают глюоны. В действительности, поскольку этот процесс осуществляется посредством сильного взаимодействия, он представляет собой самый вероятный способ образования бозонов Хиггса в БАК, известный как слияние глюонов.
Рис. 24
В настоящее время механизм Хиггса представляет собой общепризнанную теорию происхождения массы во Вселенной. Если все пойдет по плану, БАК либо подтвердит, либо опровергнет принятое в стандартной модели описание происхождения массы. Именно это делает несколько следующих лет волнующим периодом для физиков. Мы находимся в классической научной ситуации, когда есть теория, прогнозирующая, что именно должно произойти в ходе эксперимента, а значит, по его результатам она либо уцелеет, либо погибнет. Но что, если стандартная модель ошибочна? Не может ли случиться нечто совершенно иное и непредвиденное? Ведь не исключено, что она не совсем точна и нет никакой частицы Хиггса. Безусловно, такой сценарий возможен. Специалисты по физике элементарных частиц особенно взволнованны, поскольку знают, что БАК должен открыть нечто новое. Вероятность того, что это не произойдет, вообще не рассматривается, поскольку без бозона Хиггса стандартная модель абсолютно не имеет смысла на уровне энергий, которые способен генерировать БАК, а прогнозы стандартной модели в таком случае просто рассыплются в прах; БАК – первый коллайдер, который проникнет в эту неисследованную область. Строго говоря, если две частицы W сталкиваются друг с другом при энергиях, в тысячу раз превышающих энергию массы протона (что определенно происходит в БАК), то, просто выбросив частицы Хиггса из основного уравнения, мы потеряем возможность расчета происходящего. Включение частиц Хиггса в уравнение делает такие расчеты рабочими, но есть и другие способы рассеяния частиц W, так что механизм Хиггса – не единственный вариант. Какой бы способ ни выбрала Вселенная, БАК абсолютно неизбежно зафиксирует нечто содержащее такие физические явления, с которыми мы еще никогда не сталкивались. Ученым очень редко удается проводить эксперименты с явной гарантией того, что в их ходе будет обнаружено нечто интересное. Именно это делает эксперименты в БАК самым ожидаемым событием за многие годы.
8. Искривление пространства-времени
До настоящего момента мы воспринимали пространственно-временной континуум как нечто неизменное, подобное четырехмерной сцене или арене, на которой происходит все сущее. Кроме того, мы пришли к выводу, что у пространства-времени есть своя геометрия и она почти наверняка неэвклидова. Мы видели, как концепция пространства-времени естественным образом приводит к формуле E = mc² и как это простое уравнение и физические процессы, которые оно описывает, стало краеугольным камнем и современных теорий устройства Вселенной, и индустриального мира. Позвольте перейти к последнему повороту нашего повествования, задав такой вопрос: возможно ли, что пространство-время по-разному изогнуто и искривлено в разных местах Вселенной?
Безусловно, идея искривленного пространства не должна казаться нам новой. Эвклидово пространство плоское, а пространство Минковского искривлено. Мы имеем в виду, что теорема Пифагора неприменима в пространстве-времени Минковского – применима версия уравнения расстояния со знаком минус. Кроме того, мы знаем, что расстояние между двумя точками в пространстве-времени аналогично расстоянию между различными местами на карте Земли – самое короткое расстояние между двумя точками – не прямая линия в общепринятом смысле слова. Таким образом, пространство-время Минковского и поверхность Земли – примеры искривленного пространства. Вместе с тем расстояние между двумя точками в пространстве-времени Минковского всегда удовлетворяет уравнению s2 = (ct)2 – x2, а это означает, что оно одинаково искривляется повсюду. То же самое можно сказать и о поверхности Земли. Однако имеет ли смысл говорить о поверхности, которая искривляется по-разному в разных местах? Как выглядело бы пространство-время в таком случае и какими бы оказались последствия для часов, линеек и законов физики? Для того чтобы исследовать эту на первый взгляд загадочную вероятность, мы снова перейдем от поражающих воображение четырех измерений к привычным двум измерениям и сосредоточим внимание на поверхности сферы.
Гладкий мяч искривлен одинаково повсюду – это совершенно очевидно. Однако этого нельзя сказать о мяче для гольфа, имеющем углубления. Поверхность Земли также не идеальная сфера. При ближайшем рассмотрении мы видим на ней долины и впадины, горы и океаны. Закон для определения расстояния между двумя точками на поверхности Земли один и тот же повсюду только в приближенном варианте. Для получения более точного ответа нам необходимо знать, как изменяется холмистая поверхность Земли, когда мы перемещаемся по горам и долинам между начальным и конечным пунктом путешествия. Могут ли в пространстве-времени быть такие углубления, как на мяче для гольфа, или горы и долины, как на поверхности Земли? Может ли пространство-время «искривляться» в разных местах?
Когда мы впервые вывели уравнение расстояния в пространстве-времени, создалось впечатление, что мы не можем его менять в разных местах. Фактически мы утверждали, что точная форма уравнения расстояния навязана нам ограничениями причинно-следственных связей. Однако мы все же приняли одно важное предположение: пространство-время повсюду одинаково. Есть веские основания утверждать, что это предположение работает на удивление хорошо и что экспериментальные данные говорят главным образом в его пользу, поскольку именно оно сыграло важнейшую роль в получении формулы E = mc². Но, может быть, мы были недостаточно внимательны? Может ли пространство-время быть не совсем одинаковым в разных местах и может ли это повлечь за собой поддающиеся наблюдению последствия? Ответ – твердое «да». Для того чтобы прийти к такому заключению, давайте еще раз последуем по пути Эйнштейна, которому понадобилось десять лет тяжелого труда, прежде чем он сформулировал еще одну грандиозную теорию: общую теорию относительности.
Путь Эйнштейна к специальной теории относительности начался с одного простого вопроса: что произошло бы, будь скорость света одинаковой для всех наблюдателей? Гораздо более извилистый путь Эйнштейна к общей теории относительности тоже начался с простого наблюдения, которое так его поразило, что он не мог успокоиться, пока не понял его истинную значимость. Речь идет вот о каком утверждении: все объекты падают на землю с одним и тем же ускорением. Да, все верно: именно это так взволновало Эйнштейна! Только такой пытливый ум, как у Эйнштейна, способен понять, что столь непримечательный на первый взгляд факт может иметь глубинный смысл.
