Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

Преодолев третий пик, мы достигли естественной точки привала. Пришло время отдохнуть, оглянуться назад и осмотреть пейзаж.

Глядя на долину повседневной реальности, мы воспринимаем гораздо больше, чем раньше. Под знакомым спокойствием и прочностью материи в пустом пространстве наш ум представляет себе танец замысловатых узоров в вездесущей, всеобъемлющей кипучей среде. Мы понимаем, что масса, само качество, делающее материал инертным и контролируемым, возникает из энергии кварков и глюонов, движущихся со скоростью света и вынужденных держаться вместе, чтобы защитить друг друга от ударов этой среды. Наше вещество представляет собой гул странной музыки, математической музыки, более точной и сложной, чем фуга Баха, — Музыки Сетки.

Нам кажется, что сквозь пестрые облака вдали виднеется математический Рай, в котором составляющие реальность элементы избавляются от своего несовершенства. Исправляя искажения нашего повседневного восприятия, мы пытаемся в своем сознании увидеть, какими они могут быть на самом деле: чистыми и идеальными, симметричными, равными и совершенными.

Или все наши фантазии — это просто химера? Мы наводим свой телескоп и ждем, пока облака рассеются.

Впереди лежат другие горы, вершины которых мы пока не можем различить.

Как и было обещано, я объяснил происхождение 95 % массы обычного вещества из энергии безмассовых строительных блоков, используя второй закон Эйнштейна m = E / c2. Теперь настало время отдать должное тому, что я не смог объяснить.

Масса электрона, хотя и составляет гораздо меньше 1 % от общей массы обычного вещества, имеет огромную важность. Величина этой массы определяет размер атомов. Если бы вы удвоили массу электрона, размер всех атомов сократился бы вдвое; если бы вы уменьшили массу электрона вдвое, все атомы увеличились бы в два раза. Кроме того, могли бы произойти и другие вещи, которые сделали бы невозможной жизнь, как мы ее знаем. Если бы электроны были тяжелее в четыре раза или около того, то им было бы выгодно объединяться с протонами, создавая нейтроны, испускающие нейтрино. Это было бы концом для химии, не говоря уже о биологии, поскольку не существовало бы ни электрически заряженных ядер, ни электронов, доступных для создания атомов и сложных молекул.

И все же, мы пока не вполне представляем, почему электроны весят столько, сколько они весят. Нет никаких доказательств того, что электроны имеют внутреннюю структуру (и есть множество доказательств обратного), поэтому то объяснение, которое мы вывели для протонов, связывающее их массу с внутренней энергией, здесь не сработает. Нам нужны новые идеи. В настоящее время лучшее, что мы можем сделать, — это учесть массу электрона в качестве параметра в наших уравнениях, который мы не можем выразить в терминах чего-либо более простого.

Похожая история и с массами наших друзей — верхнего и нижнего кварков, u и d. Они делают количественно малый, но качественно решающий вклад в массы протонов и нейтронов, следовательно, в массу обычной материи. Если бы значения их масс существенно различались, жизнь могла бы стать трудной или вовсе невозможной. Тем не менее мы не можем объяснить, почему их значения именно такие, какие они есть.

Мы также не понимаем значений масс более тяжелых, неустойчивых клонов электрона, то есть мюона (μ) и тау-лептона (), которые соответственно в 209 и 3478 раз тяжелее электронов. Мы не знаем, откуда берутся значения 209 и 3478. То же самое относится к более тяжелым, нестабильным клонам верхнего кварка, то есть к очарованному (c) и истинному (t) кваркам; и к более тяжелым, неустойчивым клонам нижнего кварка — странному (s) и прелестному (b).

Единственная хорошая новость в этом фиаско заключается в том, что все эти кварки и лептоны, по-видимому, тесно связаны друг с другом, как в плане их наблюдаемых свойств, так и теоретически в рамках единых теорий, которые мы обсуждали в предыдущих главах. Поэтому если нам удастся понять одно — и если эти единые теории правильны! — мы сможем понять все остальное.

Тот факт, что мы совершенно невежественны в деле происхождения масс кварков, означает, что мое объяснение слабости гравитации, основанное на легкости протонов по сравнению с массой Планка, не является полным. Я посчитал само собой разумеющимся то, что большая часть массы протона возникает из энергии содержащихся в нем кварков и глюонов согласно второму закону Эйнштейна. И именно так в Природе и происходит: u- и d-кварки действительно имеют крошечные массы, много меньше массы протона, поэтому их прямой вклад в массу протона очень мал относительно массы, возникающей из энергии. Но если вы спросите меня, почему массы кварков настолько малы, я не смогу вам точно ответить (хотя я и мог бы рассказать несколько сказок).

Кроме того, существует еще частица Хиггса, иногда называемая «происхождением массы» или даже «частицей Бога». В приложении Б я набросал несколько неплохих идей, касающихся частицы Хиггса. Если коротко, то поле Хиггса (более фундаментальное, чем частица) позволяет нам реализовать наше видение универсального космического сверхпроводника и воплощает красивую концепцию спонтанного нарушения симметрии. Эти идеи являются глубокими, странными, славными и, вероятно, верными. Но они не объясняют ни происхождение массы, ни, конечно же, Бога. Несмотря на то что мы можем с уверенностью сказать, что поле Хиггса позволяет нам примирить существование определенных видов масс с деталями того, как работают слабые взаимодействия, это далеко от объяснения происхождения массы или того, почему разные массы имеют именно такие значения. И, как мы видели, происхождение большей части массы обычной материи не имеет ничего общего с частицами Хиггса.

Мы также не понимаем, откуда берется масса нейтрино. И мы действительно не понимаем происхождения массы многочисленных частиц, которые присутствуют в наших теориях, но еще не наблюдались, включая частицу или частицы Хиггса, все частицы, связанные с суперсимметрией, аксионы и т.д.

Чтобы более коротко изложить суть ситуации, можно было бы сказать, что единственный случай, в котором мы понимаем происхождение массы, — это тот, о котором я рассказал в этой книге. К счастью, это понимание охватывает львиную долю массы обычного вещества — материи, состоящей из электронов, фотонов, кварков и глюонов, — материи, которая доминирует в нашей непосредственной окружающей среде, материи, которую изучает биология и химия, материи, из которых состоим мы с вами.