Отрывок из книги «Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной» профессора теоретической физики Стэнфордского университета Леонарда Сасскинда, в которой автор уточняет и переосмысляет теорию струн, утверждая, что данная идея отнюдь не универсальна и ей придется уступить место гораздо более широкому понятию гигантского «космического ландшафта».
— Навигатор, оно нас догоняет? — Лицо капитана было мрачным, бусинки пота катились по его лысому черепу и падали с подбородка. На руке, сжимавшей в кулаке ручку управления, вздулись вены.
— Да, капитан, боюсь, что нет никакой возможности от него оторваться. Пузырь растет, и если мои расчеты верны, он неизбежно поглотит нас.
Капитан вздрогнул и ударил кулаком по пульту управления:
— Никогда не думал, что все закончится именно так. Оказаться проглоченным пузырем альтернативного вакуума… Можете вы сказать, каковы физические законы внутри него? Есть ли у нас шанс выжить?
— Вряд ли. Я оцениваю наши шансы как 1:10100 — один на гугол. Возможно, вакуум внутри пузырька допускает существование электронов и кварков, но постоянная тонкой структуры, скорее всего, слишком велика. Она разорвет атомные ядра ко всем чертям. — Штурман посмотрел на выписанные им уравнения и печально улыбнулся. — Даже если с постоянной тонкой структуры все о’кей, существует вероятность, что там большая КП.
— КП?
— Да, вы знаете — Космологическая Постоянная. Скорее всего, она отрицательна и достаточно велика, чтобы разорвать наши молекулы — вот так.
Навигатор щелкнул пальцами.
— Оно уже здесь! О боже! Нет, это суперсимметрия. Никаких шансов...
Дальше — тишина.
Это было начало плохого научно-фантастического рассказа, который я попытался написать. Через несколько абзацев я бросил эту затею, поняв, что начисто лишен писательского таланта. Но наука может быть гораздо интереснее фантастики.
Все большее число физиков-теоретиков склоняется к мнению, что законы физики не только могут изменяться, но и что это изменение почти всегда оказывается смертельным. В каком-то смысле законы природы похожи на погоду Восточного побережья: чрезвычайно переменчивую, почти всегда ужасную, но в редких случаях — прекрасную. Подобно смертоносным ураганам пузыри с чрезвычайно враждебным содержимым могут проноситься через Вселенную, разрушая все на своем пути. Но в особых редких местах мы обнаруживаем законы физики, идеально подходящие для нашего существования. Как же случилось, что мы оказались в одном из таких уникальных мест? Для этого нужно понять причины изменчивости законов физики, оценить, насколько большим является диапазон их изменения и каким образом область пространства может внезапно изменить свой характер, превратившись из смертельно враждебной в дружелюбную. Это подводит нас к главной проблеме нашей книги — Ландшафту.
Ландшафт — это пространство возможностей. География и топография Ландшафта состоит из холмов и долин, равнин и каньонов, гор и перевалов. Но, в отличие от обычного ландшафта, Ландшафт не трехмерен, он простирается на сотни, а может быть, и на тысячи измерений. Почти все описанные детали Ландшафта представляют собой среду, смертельную для жизни, но некоторые из низколежащих долин оказываются обитаемыми. Ландшафт — это не реальное место. Он не располагается на Земле или где-либо еще. Он не находится ни в пространстве, ни во времени. Это математическая конструкция, каждая из точек которой представляет собой некий набор возможностей окружающей среды, или, как скажет физик, возможного вакуума.
Рекомендуем по этой теме:
Основы фундаментальной физики
Обычно словом «вакуум» принято обозначать пустое пространство, из которого удален воздух, водяной пар и любое другое вещество. Это то, с чем обычно имеет дело физик-экспериментатор, который возится с вакуумными трубками, вакуумными камерами и вакуумными насосами. Но в теоретической физике термин «вакуум» обозначает гораздо больше. Это своего рода сцена, на которой разворачивается физическое действие. Вакуум потенциально содержит все, что может произойти на этой сцене. Это и список всех элементарных частиц, и фундаментальные физические константы, которые могут быть обнаружены или измерены в экспериментах, проводимых в этом вакууме. Короче говоря, вакуум — это среда, в которой Законы Физики принимают конкретную форму. Наш вакуум может содержать электроны, позитроны, фотоны и прочие обычные элементарные частицы. В нашем вакууме электрон имеет массу 0,511 МэВ, масса фотона равна нулю, а постоянная тонкой структуры — 0,007297351. Другие вакуумы могут, например, содержать безмассовые электроны, фотоны с массой 10 МэВ, не содержать кварков, но при этом иметь 40 различных видов нейтрино и постоянную тонкой структуры, равную 15,003571. Другой вакуум означает другие Законы Физики. Каждая точка Ландшафта представляет собой набор законов, которые, скорее всего, очень отличаются от наших собственных, но которые, тем не менее, возможны. Стандартная модель — это всего лишь одна из точек на ландшафте возможностей.
Но если Законы Физики могут различаться от вакуума к вакууму, то же самое можно сказать и об объектах изучения всех наук. В мире с более легкими электронами и более тяжелыми протонами, скорее всего, отсутствовали бы атомы. Отсутствие атомов означает отсутствие химии, то есть отсутствие периодической системы, отсутствие молекул, кислот, оснований, органических соединений, а следовательно, и биологии.
Идея вселенных с альтернативными законами природы кажется научной фантастикой. Но она более реальна, чем фантастика. Благодаря современным медицинским технологиям альтернативные вселенные регулярно создаются внутри МРТ-аппаратов. Аббревиатура МРТ была придумана для замены прежнего названия, ЯМР — ядерного магнитного резонанса, — чтобы не пугать обывателя страшным словом «ядерный». Поэтому название технологии было заменено на магнитно-резонансную томографию, или сокращенно — МРТ. В действительности в явлении ядерного магнитного резонанса не участвуют ни ядра урана или плутония, ни ядерные боеголовки. Ядра, о которых идет речь в названии, находятся внутри тела пациента, и МРТ-аппарат аккуратно их возбуждает. Обычно этот аппарат представляет собой полый цилиндр, в стенках которого размещены электрические катушки, создающие внутри цилиндра очень сильное магнитное поле. Пациент внутри цилиндра находится в своей собственной маленькой вселенной, свойства вакуума которой слегка отличаются от свойств вакуума вселенной за пределами цилиндра. Представьте себе, что вы проснулись утром внутри такой машины, не зная, где вы находитесь. Что-то будет не так с законами физики. Первое, что вы заметите, — странное, я бы даже сказал опасное поведение железных предметов. Если у вас случайно в кармане пижамы окажется компас, то вы обнаружите, что его стрелка как влитая указывает в строго определенном направлении.
Вероятно, взять с собой внутрь МРТ-аппарата старый телевизор с электронно-лучевым кинескопом будет не самой лучшей идеей, но предположим, что вы это сделали. Включив его, вы обнаружите, что изображение на экране искажено причудливым образом. Зная, как работает кинескоп, вы могли бы восстановить траектории движения электронов. Сильное магнитное поле заставляет электроны двигаться не по прямой, а по штопорообразной спирали. Физик, знакомый с фейнмановскими диаграммами, скажет, что что-то не так с пропагатором электрона. Пропагатор — это не просто картинка, изображающая перемещение электрона из одной точки в другую, а еще и математическое выражение, описывающее это движение.
Фундаментальные константы могут также оказаться слегка другими. Взаимодействие сильного магнитного поля со спинами электронов может даже привести к небольшому изменению их масс. Еще интереснее оказывается влияние сильного магнитного поля на атомы. Магнитные силы слегка сплющивают электронные оболочки атомов в направлении, перпендикулярном вектору поля. В обычном МРТ-аппарате этот эффект незначителен, но в более сильных магнитных полях атомы могут превратиться в некое подобие спагетти, вытянутых вдоль силовых линий поля.
Эффект влияния магнитного поля обнаруживается в виде небольших изменений энергетических уровней атомов и, соответственно, отражается на спектре излучения. Механизм этих изменений лежит в способе, которым электроны, позитроны и фотоны взаимодействуют друг с другом. Более сильное магнитное поле окажет эффект и на вершинную диаграмму, что отразится на значении постоянной тонкой структуры, которая будет зависеть от характера движения электронов.
Разумеется, магнитное поле МРТ-аппарата слабое, и его влияние на законы, управляющие движением заряженных частиц, минимально. Но в очень сильном поле пациент будет чувствовать себя неуютно, и влияние такого поля на физические законы может стать для пациента фатальным, потому что изменение свойств атомов приведет к ужасным последствиям в плане протекания химических и биологических процессов.
Существуют два взгляда на описанную ситуацию, и оба правильные. С одной стороны, можно сказать, что фундаментальные законы природы нисколько не изменились, а изменилась физическая среда, в которой теперь присутствует сильное магнитное поле. С другой стороны, можно сказать, что изменились правила расчета фейнмановских диаграмм и что-то случилось с Законами Физики.
Пожалуй, наиболее правильным будет сказать, что:
Законы Физики определяются окружающей средой.
Поля
Поля, как мы уже увидели, — это особые невидимые свойства пространства, оказывающие влияние на поведение объектов. Житейским примером служит магнитное поле: с ним сталкивался всякий, кто когда-либо брал в руки магнит и исследовал таинственное действие, которое тот оказывает сквозь лист бумаги на скрепки, булавки и гвозди. Многие помнят школьный опыт с железными опилками, образующими вокруг магнита рисунок, повторяющий силовые линии магнитного поля. Магнитное поле имеет в каждой точке пространства направление и напряженность, определяющую, с какой силой оно действует на кусок железа. Магнитное поле внутри МРТ-аппарата в 10 000 раз сильнее магнитного поля Земли.
Несколько менее знакомое нам по повседневному опыту электрическое поле тесным образом связано с магнитным. Оно не оказывает заметного эффекта на железные предметы, но именно оно ответственно за притяжение маленьких кусочков бумаги наэлектризованным предметом. При трении одного предмета о другой электроны с поверхности первого предмета переходят на поверхность второго, в результате чего предметы приобретают противоположные по знаку электрические заряды. Заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, которое, подобно магнитному, имеет в каждой точке пространства направление и напряженность. В конечном итоге Законы Физики оказываются переменчивыми, потому что они определяются полями, а поля могут изменяться. Включение магнитного и электрического полей является одним из вариантов изменения законов, но это не единственная возможность модифицировать вакуум — есть и более интересные способы. Например, можно использовать гравитационное поле Эйнштейна, но и это еще не все. Вторая половина двадцатого столетия ознаменовалась открытием новых элементарных частиц, новых типов взаимодействий и, как следствие, новых полей, которыми можно заполнить пространство, и они будут оказывать влияние на обычную материю. Однако одно из всех этих полей, а именно — поле Хиггса, будет интересовать нас больше других в плане изучения Ландшафта.
Рекомендуем по этой теме:
Открытие бозона Хиггса
Открытие поля Хиггса не было открытием в обычном, экспериментальном смысле. Теоретики обнаружили, что без поля Хиггса Стандартная модель оказывается несогласованной. Без него фейнмановские правила могут приводить к бессмысленным результатам типа бесконечной или отрицательной вероятности. Но в конце 1960-х — начале 1970-х годов теоретики показали, что одним из способов «починить» Стандартную модель является добавление в нее еще одной элементарной частицы — частицы Хиггса. Частица Хиггса, поле Хиггса… Какая связь между полями и частицами заставляет нас давать им одинаковые имена? Идея поля впервые возникла в середине XIX века при изучении электромагнитных явлений. Майкл Фарадей представлял поля в виде гладких возмущений в пространстве, оказывающих влияние на движение электрически заряженных частиц, но само поле не обязано было состоять из частиц. Для Фарадея и развившего его идеи Максвелла мир состоял из частиц и полей, и ни у кого не возникало сомнений, что из них есть что. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн, исследуя формулу Планка для излучения абсолютно черного тела, предложил нелепую гипотезу. Эйнштейн утверждал, что электромагнитное поле на самом деле состоит из огромного количества невидимых частиц, которые он назвал фотонами, или квантами. Когда квантов мало, они проявляют себя подобно частицам, но когда огромное количество квантов движется скоординированно, они ведут себя как поле — квантовое поле. Это отношение между частицами и полями оказалось всеобщим. Для каждого типа частиц существует свое поле, а для каждого типа поля — своя частица. Поэтому-то поля и частицы часто называются одинаковыми именами. Электромагнитное поле (обобщающее название электрического и магнитного поля) может быть названо фотонным полем. Электроны тоже имеют собственное поле. И кварки, и глюоны — любой персонаж Стандартной модели имеет собственное поле, в том числе и частицы Хиггса.
Я сказал, что Стандартная модель без частиц Хиггса является математическим нонсенсом, но мне следует внести небольшое пояснение. Стандартная модель без частиц Хиггса математически последовательна, но только до тех пор, пока все частицы движутся со скоростью света, как фотоны. Частицы, движущиеся со скоростью света, не могут иметь массы, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса как раз для того и необходимо, чтобы дать элементарным частицам массу. С моей точки зрения, это неудачная формулировка, но мне не придумать лучшую. В любом случае это важный пример того, как поля влияют на мировые константы.
Никто никогда не видел частицу Хиггса, и долгое время не было даже косвенных данных, позволяющих физикам-экспериментаторам сказать, что они ее «видели». Только недавно были получены первые результаты, которые можно интерпретировать как обнаружение этой частицы. Собственно, никакой сложности в детектировании частиц Хиггса нет, трудность состоит в первую очередь в генерации их в количестве, достаточном для изучения. Эта проблема не является принципиальной преградой: чтобы рождать такие тяжелые частицы, как бозон Хиггса, вам просто нужен большой ускоритель. Частицы Хиггса и поле Хиггса настолько важны для успеха Стандартной модели, что никто всерьез даже не сомневался в их существовании. В то время, как я пишу эту книгу, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близится к завершению строительство нового ускорителя, который будет способен поставлять нам для исследования частицы Хиггса в огромных количествах. Почти 40 лет прошло с момента, когда частицы Хиггса были впервые предсказаны теоретиками, до момента их экспериментального обнаружения.
Если бы поле Хиггса можно было включать и выключать с такой легкостью, как магнитное, мы могли бы изменять, например, массу электрона по своему усмотрению.
Увеличение массы привело бы к тому, что атомные электроны вращались ближе к ядру, что, в свою очередь, радикально изменило бы химию. Изменяя массы кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, можно было бы менять свойства ядер или в определенный момент вовсе уничтожать их. Еще более разрушительным является изменение поля Хиггса в другом направлении — например, это может полностью лишить электрон массы. Слишком легкий электрон не сможет оставаться внутри атома. Наверное, это не те эксперименты, которые мы хотели бы ставить над миром, в котором живем, потому что подобные изменения будут иметь катастрофические последствия и сделают мир необитаемым. Значительные изменения в Законах Физики будут фатальными, и мы будем возвращаться к этому сюжету снова и снова.
Изменяя поле Хиггса, мы могли бы значительно разнообразить наш мир: вместе с полем будут меняться законы ядерной и атомной физики. Физик из одного региона не будет признавать Законы Физики другого. Но все же количество возможных вариаций поля Хиггса является весьма скромным. А что бы произошло, если бы количество изменяемых полей исчислялось многими сотнями? Это подразумевало бы многомерный ландшафт, настолько разнообразный, что в нем можно было бы найти все, что угодно. А заветной мечтой ученого, изучающего такой мир, была бы мечта найти в нем что-то невозможное. Как мы вскоре увидим, это отнюдь не праздные фантазии.
Всякий раз, когда перед математиками или физиками встает задача, содержащая несколько переменных, они думают о пространстве, содержащем возможные значения этих переменных. Простым примером является температура воздуха. Представьте себе прямую линию, на которой стоит отметка, обозначающая ноль градусов, рядом с ней еще одна отметка, обозначающая один градус, далее еще одна отметка, обозначающая два градуса, и т. д. Линия представляет собой одномерное пространство, содержащее возможные значения температуры. Точка с отметкой 25 градусов будет представлять теплый летний день, точка с отметкой –25 градусов — морозный зимний. Температурная шкала на обычном бытовом термометре является конкретным представлением этого абстрактного пространства.
Предположим, что в дополнение к термометру за окном кухни у нас также есть барометр для измерения атмосферного давления. Мы могли бы нарисовать две оси: одну для представления температуры, а другую для представления атмосферного давления. Опять же, каждая точка, теперь уже в двумерном пространстве, представляет нам одно из возможных погодных условий. Если бы мы захотели фиксировать еще больше информации, например влажность воздуха, то могли бы добавить третью координату и представлять состояние погоды в виде точки в трехмерном пространстве.
Рекомендуем по этой теме:
FAQ: Стандартная модель
Комбинация температуры, давления и влажности говорит нам гораздо больше, чем каждый из этих параметров по отдельности. Она говорит нам о том, какие типы частиц могут существовать при определенных условиях, только в данном случае речь идет не об элементарных частицах, а о капельках воды. В зависимости от условий капли воды могут принимать вид тумана, дождя, изморози, снега или града.
Законы Физики — это своего рода «погода в вакууме», только вместо температуры, атмосферного давления и влажности эта погода определяется величиной полей. И точно так же, как погода определяет характер водяных капель в воздухе, вакуумная погода определяет список элементарных частиц и их свойства. Сколько существует полей, от которых зависит набор частиц, их массы и константы связи? Некоторые из них мы уже знаем: электрическое и магнитное поля и поле Хиггса. Остальные станут известны, когда мы узнаем о главнейших законах природы больше, чем дает нам Стандартная модель.
Сегодня наша главная и пока что единственная ставка на открытие такого универсального закона — это теория струн. В главах 7 и 8 мы увидим, что теория струн дает неожиданный ответ на вопрос о количестве полей, управляющих локальной погодой вакуума. На сегодняшнем уровне наших знаний нам видится, что количество таких полей должно исчисляться сотнями, если не тысячами.
Но независимо от количества полей сам принцип остается тем же самым. Представьте себе математическое пространство, каждая размерность которого соответствует отдельному полю. Если полей десять, пространство будет десятимерным. Для представления тысячи полей понадобится тысячемерное пространство. Это пространство и есть ландшафт. Точка на этом ландшафте определяет величины всех полей — состояние вакуумной погоды. Это состояние определяет набор элементарных частиц, их массы и законы взаимодействия. Если бы ктонибудь умел постепенно перемещаться через вселенные от одной точки ландшафта к другой, все характеристики окружающего его мира также плавно менялись бы. В ответ на эти изменения менялись бы и свойства атомов и молекул.
Холмы и долины
Карта реальной местности неполна, если на ней отсутствуют указания на высоту тех или иных точек над уровнем моря. С этой целью на топографических картах проводят кривые, обозначающие линии равных высот. Еще нагляднее смотрится пластилиновая модель местности, изображающая горы, долины и равнины в миниатюре.
Представьте, что у нас есть как раз такая модель, и мы пустили по ней кататься маленький гладкий шарик, например шарик от подшипника. Если поместить шарик в случайном месте и отпустить, он покатится вниз до тех пор, пока в конце концов не остановится в нижней части какой-нибудь долины. Почему именно так? На этот вопрос в разные времена отвечали по-разному. Древние греки считали, что каждому элементу предписано собственное место: земля и вода стремятся вниз, огонь и воздух — вверх. Я не знаю, как бы ответили на этот вопрос вы, но как профессор физики предлагаю такое объяснение: шарик от подшипника имеет потенциальную энергию, которая зависит от его высоты. Чем больше высота, тем выше потенциальная энергия. Шарик стремится скатиться туда, где его потенциальная энергия имеет наименьшее значение, или локальное наименьшее значение, которого шарик может достичь, не взбираясь без необходимости на холм в поисках более низкорасположенной долины. Физику, изучающему катящиеся шарики, карта с горизонталями и модель ландшафта дают информацию об изменении потенциальной энергии катящегося по ландшафту шарика.
Ландшафт (с большой буквы), которому посвящена эта книга, также имеет холмы, долины, горы и равнины. Только места шариков от подшипника на этом Ландшафте занимают целые карманные вселенные! Что я имею в виду, говоря о том, что карманные вселенные занимают места на Ландшафте? Это как если бы в сводке погоды диктор сообщил, что Денвер занимает область в районе минус пяти градусов на температурной шкале.
Это звучит странно, но определенный смысл в том, чтобы представлять города «ползающими» по шкале термометра, есть.
Но какой смысл имеет высота точки на ландшафте? Очевидно, она не имеет ничего общего с высотой точки над уровнем моря на земной поверхности. Тем не менее она представляет потенциальную энергию, ноне энергию шарика от подшипника, а энергию карманной вселенной. И подобно шарику, который катится туда, где его потенциальная энергия минимальна, вселенные стремятся эволюционировать в состояние с наинизшей потенциальной энергией. Я еще вернусь к этому моменту.
Имея это в виду, давайте вернемся к Законам Физики в МРТ-аппарате. Если магнитное поле будет единственным полем, присутствующим внутри аппарата, ландшафт будет одномерным, как температурная шкала, с единственной осью, на которой отложены значения напряженности магнитного поля.
Магнитные поля не возникают сами по себе. Для создания поля требуется энергия. На заре электромагнитной теории, прежде чем Майкл Фарадей ввел понятие поля, считалось, что это энергия электрических токов, протекающих по проводам электрических схем. Но Фарадей по-новому взглянул на природу вещей и вместо проводов, трансформаторов, сопротивлений и других элементов схем сосредоточил внимание на полях, заполняющих пространство и влияющих на поведение заряженных тел. Очень скоро физики осознали огромное значение энергии самого поля: везде, где есть поля, есть энергия. Например, энергия, содержащаяся в электромагнитном поле луча света, нагревает освещаемые им холодные предметы.
В магнитном поле МРТ-аппарата тоже содержится энергия. Позже мы столкнемся с полями, содержащими гораздо бóльшую энергию, чем слабое магнитное поле, используемое в магнитно-резонансной томографии, энергии которого едва ли хватит на то, чтобы вскипятить полстакана воды.
Добавив к нашему одномерному ландшафту вертикальную ось, мы сможем графически отобразить энергию в каждой точке. Энергия магнитного поля пропорциональна квадрату его напряженности, поэтому наш график будет представлять собой параболу, опирающуюся вершиной на начало координат.
Магнитное поле было одним из двух полей, введенных Фарадеем. Второе поле — электрическое. В отличие от магнитного, оно не оказывает влияния на стрелку компаса, но способно заставить встать дыбом волосы на вашей голове. Сильное электрическое поле может деформировать атомы, растягивая в разные стороны отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра. Деформированные атомы образуют длинные цепочки, в которых положительно заряженные ядра одних атомов притягиваются к вытянутым отрицательно заряженным электронным оболочкам других. Еще более сильное электрическое поле оторвет атомы друг от друга. Понятно, что в подобных точках ландшафта атомы уже не смогут существовать, и, как следствие, не сможет существовать и жизнь.
Присутствие и электрического и магнитного полей вносит еще большее разнообразие в ландшафт, который становится двумерным. Поскольку электрическое поле тоже обладает энергией, «высота» ландшафта будет изменяться уже в двух горизонтальных измерениях. Такой ландшафт будет выглядеть подобно глубокой чаше с круто поднимающимися вверх краями.
Поскольку электрическое и магнитное поля по-разному влияют на поведение электронов, они вносят большее разнообразие в Законы Физики. Электроны в смешанном поле движутся по более сложным траекториям, чем в каждом из полей по отдельности. Энергетические уровни атомов демонстрируют больший уровень сложности, и ландшафт оказывается более разнообразным. Если все пространство равномерно заполнить электрическим и магнитным полями, можно будет утверждать, что Законы Физики зависят от «местоположения» вселенной на двумерном ландшафте. В природе, помимо электрического и магнитного, существует большое количество полей, но общий принцип остается неизменным: каждая точка на ландшафте, или, другими словами, каждая комбинация полей соответствует определенному значению плотности энергии. Представляя поля расположенными в горизонтальной плоскости, мы должны добавить к ландшафту всего одну ось для представления энергии. Называя эту ось «высотой», мы, образно говоря, получаем ландшафт с равнинами, холмами, горами и долинами.
Не следует забывать, что электрическое и магнитное поля являются векторными полями, что означает, что в каждой точке они имеют не только величину напряженности, но и направление. Стрелка компаса, расположенного вблизи магнита, укажет направление магнитного поля. В идеальном случае вектор магнитного поля в любой точке на поверхности Земли всегда указывал бы на северный магнитный полюс. В реальности ситуация далека от идеальной, потому что огромные залежи железной руды в земной коре искажают картину магнитного поля, вызывая местные вариации его направления.
Большинство полей, образующих ландшафт, проще электрического и магнитного: бо́льшая часть этих полей является скалярными полями. Скалярное поле не имеет направления и характеризуется только одной величиной — напряженностью. Примером скалярного поля может служить поле распределения температуры на поверхности Земли. Вы никогда не услышите от синоптика что-либо типа: «двадцать градусов Цельсия в направлении на северо-запад». Температура имеет величину, но не имеет направления. Но синоптики имеют дело и с векторными полями, например со скоростью ветра, имеющей как величину, так и направление. Температура, атмосферное давление, влажность и скорость ветра являются величинами, которые могут меняться от места к месту, что и делает их полями. Разумеется, это только аналогия, и они не имеют ничего общего с полями, образующими ландшафт.
Поле Хиггса очень похоже на магнитное поле (если не считать, что оно скалярное), но им несоизмеримо труднее манипулировать. Для изменения поля Хиггса даже на ничтожную величину требуется невообразимое количество энергии. Однако если бы мы научились управлять им, мы смогли бы менять по своему усмотрению массы всех элементарных частиц, за исключением фотона.
Рекомендуем по этой теме:
Элементарные частицы
Локомотивы, пушечные ядра, элементарные частицы — все имеет массу. Масса является мерой инертности: более массивное тело труднее заставить двигаться или остановить. Для определения массы тела следует приложить к нему силу и измерить создаваемое этой силой ускорение: отношение силы к ускорению и будет массой. Если в момент начала эксперимента тело покоилось, то измеренная масса называется массой покоя. В прошлом было принято различать массу движения и массу покоя, но сегодня термин «масса» всегда означает массу покоя.
Из опыта известно, что все электроны обладают одинаковой массой. То же самое касается и протонов, и любых других элементарных частиц. Именно по этой причине мы можем говорить о массе электрона, не уточняя, какой из электронов мы имеем в виду. Точно так же мы можем говорить о массе любой элементарной частицы, но, разумеется, массы различных типов частиц различаются. Например, масса протона в 1800 раз больше массы электрона.
Фотоны же оказываются эксцентричными чудаками, когда заходит речь об их массе. Масса определяется по ускорению тела, когда тело начинает движение из состояния покоя, а фотоны никогда не покоятся, они всегда движутся, причем всегда с одной и той же скоростью. Фотоны, согласно Эйнштейну, являются частицами света, а свет всегда движется со скоростью света. Фотоны не могут находиться в покое, вместо того, чтобы замедляться, они просто исчезают. Это означает, что масса фотона равна нулю. И вообще: любые частицы, способные двигаться со скоростью света, должны быть безмассовыми.
Из всех экспериментально наблюдаемых частиц безмассовым является только фотон. Однако есть основания полагать, что в природе должна существовать по крайней мере еще одна безмассовая частица. Подобно тому как в результате перехода электрона с одной орбиты на другую атом излучает электромагнитные волны, планеты, двигаясь вокруг Солнца, возмущают гравитационное поле, что приводит к излучению гравитационных волн. Эти гравитационные волны слишком слабы, чтобы обнаружить их на Земле, но время от времени во Вселенной происходят ужасные катаклизмы, порождающие мощнейшее гравитационное излучение. Столкновение черных дыр способно освободить невероятное количество энергии в форме гравитационного излучения, для обнаружения которого на Земле были построены специальные детекторы. Если теоретики не заблуждаются, то эти волны будут распространяться в пространстве со скоростью света, поэтому разумно предположить, что они должны состоять из безмассовых частиц — гравитонов.
Хотя я и говорил, что все электроны имеют одну и ту же массу, тут есть одна тонкость, о которой вы, возможно, уже догадались. Масса электрона зависит от величины поля Хиггса в той точке, где в данный момент находится электрон. Если бы мы обладали технологией, позволяющей варьировать поле Хиггса, то масса электрона могла бы зависеть от его местоположения. То же касается и масс всех остальных элементарных частиц, за исключением фотона и гравитона.
В нашем обычном вакуумном состоянии величины большинства известных полей равны нулю. Поля могут флуктуировать из-за квантовых эффектов, но их мгновенные значения при этих флуктуациях с равной вероятностью оказываются как положительными, так и отрицательными, так что в среднем величина поля остается нулевой. Создание ненулевого поля требует энергии. Поле Хиггса, однако, ведет себя по-другому. Его среднее значение в пустом пространстве отлично от нуля. Это как если бы в волнующемся море элементарных частиц присутствовал еще дополнительный фиксированный уровень жидкости, состоящий из частиц Хиггса. Почему мы не замечаем этой жидкости? Я бы сказал, потому, что мы привыкли к ее существованию. Но если бы эта жидкость исчезла, мы сразу же почувствовали бы ее отсутствие, хотя… будем честными: мы бы и в этом случае ничего не почувствовали, поскольку прекратили бы свое существование.
«Поле Хиггса дает частицам их массы» — что стоит за этим утверждением? Ответ уходит своими корнями глубоко в дебри математики Стандартной модели, но я попытаюсь обрисовать главную идею. Как уже говорилось ранее, если исключить поле (или частицу) Хиггса из списка действующих лиц, то квантовая теория поля, описывающая Стандартную модель, будет математически последовательной, только если все элементарные частицы будут безмассовыми, как фотоны. Фактические массы таких частиц, как электроны, кварки, W-бозоны и Z-бозоны, возникают из-за их движения сквозь «жидкость», состоящую из частиц Хиггса. Мне бы не хотелось вводить вас в заблуждение ложной аналогией, но это выглядит так, будто хиггсовская жидкость сопротивляется движению частиц. Только это сопротивление не похоже на обычное трение, тормозящее частицы и заставляющее их останавливаться. Вместо этого хиггсовская жидкость сопротивляется изменению скорости частиц, проявляя себя так же, как инертная масса. Лучше посмотрите на фейнмановскую диаграмму, которая одна стоит тысячи слов.
Если бы нам удалось создать в некоторой области нулевое хиггсовское поле, то наиболее заметным следствием этого стала бы нулевая масса электрона. Это оказало бы разрушительный эффект на атомы. Слишком легкий электрон не мог бы находиться внутри атома. Ни атомы, ни молекулы не смогли бы существовать. Жизнь в том виде, в каком она нам известна, тоже не возникла бы в такой области.
Было бы крайне интересно проверить это предсказание экспериментально, но манипуляции с полем Хиггса несоизмеримо сложнее, чем манипуляции с магнитным или электрическим полем. Создание области с нулевым полем Хиггса требует неимоверного количества энергии. В частности, для очистки от частиц Хиггса одного кубического сантиметра пространства понадобится порядка 1040 джоулей. Такую энергию излучает Солнце за миллион лет. Так что проведения подобного эксперимента нам придется еще какое-то время подождать.
Почему же поле Хиггса так отличается от электромагнитного поля? Ответ кроется в Ландшафте. Представим себе одномерный ландшафт и, игнорируя электрическое и магнитное поля, оставим в нем только одно поле Хиггса. Получившийся «Хиггс-шафт» будет гораздо интереснее, чем простая парабола, описывающая ландшафт магнитного поля. Он представляет собой две глубокие долины, разделенные чрезвычайно высокой горной вершиной.
Качение по Ландшафту
Не переживайте, если вы не понимаете, почему Хиггс-шафт выглядит столь необычно. Этого никто до конца не понимает. Это просто еще один эмпирический факт, который следует принимать как данность. Вершина горы — это точка, в которой поле Хиггса равно нулю. Представим, что при помощи некоего супермощного космического пылесоса нам удалось высосать из вакуума все хиггсовское поле. Перед нами откроется место на Хиггс-шафте, в котором все частицы, входящие в Стандартную модель, являются безмассовыми и движутся со скоростью света. Из графика видно, что вершина горы представляет собой среду с огромной плотностью энергии. Помимо всего прочего, это — смертоносная среда.
В противоположность ей наш уголок Вселенной является безопасным гнездышком в одной из долин, где плотность энергии минимальна. В этой долине поле Хиггса отлично от нуля, вакуум наполнен хиггсовской жидкостью, и все частицы имеют массу. Атомы ведут себя как положено атомам, и жизнь процветает. Полный ландшафт теории струн весьма напоминает только что описанный, только он бесконечно богаче самыми неблагоприятными для существования жизни возможностями. Дружественные обитаемые долины представляют крайне редкое исключение. Но об этом позже.
Почему в каждом примере мы живем в нижней части долины? Является ли это общим принципом? Без сомнения, да.
Качение по Ландшафту
Герман Минковский умел глаголом жечь сердца физиков. Вот что он сказал о пространстве и времени: «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность». Так говорил Минковский о специальной теории относительности — двухлетнем детище Эйнштейна. Это был тот самый Минковский, который объявил миру, что пространство и время должны быть объединены в единый четырехмерный пространственно-временной континуум. Из четырехмерного взгляда на мир следует, что если Законы Физики могут меняться от одной точки пространства к другой, то точно так же они должны меняться со временем. Следовательно, обычные законы природы, даже закон всемирного тяготения, могут меняться: внезапно или постепенно.
Представьте себе, что через физическую лабораторию проходит длинноволновое радиоизлучение. Радиоволны, являясь возмущением электромагнитного поля, состоят из колебаний электрического и магнитного полей. Если длина волны велика, то при прохождении волны через лабораторию каждое колебание будет занимать много времени. Для драматизации ситуации предположим, что длина волны составляет два световых года. В этом случае поля, измеряемые в лаборатории, будут в течение полугода увеличиваться, а затем следующие полгода снова уменьшаться до нуля. Если измеряемое в лаборатории поле равно нулю в декабре, то своего максимума оно достигает в июне.
Медленно изменяющиеся поля приведут к тому, что поведение электронов тоже будет меняться со временем. В зимние месяцы, когда поля малы, электроны, атомы и молекулы будут вести себя как обычно. Летом, когда значения полей максимальны, электроны будет двигаться по странным орбитам, а атомы будут сжаты в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Электрическое поле также вносит искажения в форму атомов, растягивая электроны и ядра в противоположных направлениях. В итоге получается, что Законы Физики изменяются в зависимости от сезона!
А что с полем Хиггса? Может ли и оно меняться со временем? Вспомните, что обычное пустое пространство заполнено хиггсовским полем. Представьте себе, что некий темный властелин-физик изобрел космический пылесос смерти, способный высасывать из пространства частицы Хиггса. Этот пылесос настолько мощный, что может перетащить всю Вселенную или большую ее часть на вершину горы, находящуюся в центре пространства Хиггса. В результате этого во Вселенной произойдут страшные события: атомы дезинтегрируют, и жизнь прекратится. Но интереснее всего то, что произойдет потом. Допустим, что Хиггс-шафт на самом деле является ландшафтом с высокой вершиной, разделяющей две глубокие долины. Вселенная поведет себя подобно шарику от подшипника, балансирующему на острие ножа, готовому от малейшего толчка упасть с него в правую или левую долину. Очевидно, что такое состояние нестабильно и малейшее возмущение отправит шарик в одну из долин.
Если поверхность ландшафта совершенно гладкая и трение отсутствует, то шарик, свалившись в долину, не остановится на ее дне, а прокатится дальше, поднявшись по склону, после чего покатится в обратную сторону и снова заберется на вершину горы и так до бесконечности. Но если незначительное трение все же присутствует, то шарик в конце концов остановится на дне одной из долин.
Так же ведет себя и поле Хиггса. Вселенная «катается» по Ландшафту, пока не остановится в одной из долин, сформировав обычный вакуум.
Дно долины является единственным местом, где воображаемый шарик может оставаться в покое. Помещенный на склоне, шарик будет катиться вниз. На вершине холма шарик будет находиться в неустойчивом равновесии. Таким образом, единственным возможным стабильным видом вакуума с неизменными Законами Физики является вакуум на дне долины Ландшафта.
Дно долины, в которой упокоится Вселенная, не обязательно должно быть самой низкой точкой Ландшафта. Горный хребет может содержать много долин, каждая из которых окружена вершинами, причем некоторые из долин могут находиться достаточно высоко над уровнем моря и даже выше некоторых горных вершин. Но до тех пор, пока Вселенная пребывает в нижней части какой-нибудь долины, она будет оставаться в ней. Для обозначения низшей точки долины используется математический термин: локальный минимум. Любое движение из точки локального минимума сопряжено с подъемом вверх. Таким образом, мы приходим к важному фундаментальному факту: возможный стабильный вакуум, или, что то же самое возможные неизменные Законы Физики, соответствует локальному минимуму Ландшафта.
Ни один безумный ученый никогда не соберется уничтожить поле Хиггса. Как я говорил, чтобы очистить от него один кубический сантиметр пространства, потребуется вся энергия, излучаемая Солнцем за миллион лет. Но примерно 14 миллиардов лет назад температура была настолько высока, что плотность энергии была более чем достаточна, чтобы вымести поле Хиггса из всей известной Вселенной. Я имею в виду очень раннюю стадию эволюции Вселенной сразу после Большого взрыва, когда температура и давление были чрезвычайно велики. Физики считают, что Вселенная родилась с полем Хиггса, равным нулю, то есть находилась на вершине горы. В ходе охлаждения Вселенная скатилась по склону в долину, где мы сейчас и живем. «Качение» по Ландшафту играет центральную роль во всех современных космологических теориях.
Хиггс-шафт имеет небольшое количество локальных минимумов, и вероятность того, что в одном из минимумов плотность вакуумной энергии будет составлять не более 10–120, крайне мала. Однако, как вы увидите в главе 10, реальный ландшафт теории струн гораздо сложнее, разнообразнее и интереснее. Попробуйте представить пространство с 500 измерениями, топография которого содержит порядка 10500 локальных минимумов, в каждом из которых действуют собственные физические законы, — ничего не выйдет. Независимо от того, насколько ваш мозг отличается от моего, число 10500 лежит далеко за пределами наших представлений. Но одно точно: в таком огромном наборе возможностей наверняка найдется вариант, в котором плотность энергии вакуума составляет 10–119, и это будет ответом на вайнберговский антропный аргумент.
В следующей главе я собираюсь отдохнуть от технических вопросов и рассказать о надеждах и чаяниях физиков. Мы снова вернемся к «строгой науке» в главе 5, но сдвиг парадигмы значит больше, чем факты и цифры. С этим сдвигом связаны эстетические и эмоциональные вопросы, а также возможный отказ от прежней парадигмы. Идея о том, что Законы Физики могут, как погода, зависеть от местных условий, ужасно разочаровывает многих физиков, почти с религиозным фанатизмом верящих, что природа должна быть «красивой» в определенном специфическом математическом смысле.
