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

Для фотонов в видимом диапазоне мы ощущаем это различие как различие в цвете: фотоны в красном конце спектра имеют наименьшую энергию, фотоны в синем конце спектра — самые большие. За пределами видимого спектра при уменьшении энергии мы встречаем инфракрасные, микроволновые и радиоволновые фотоны, а при увеличении — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.

Самым фундаментальным свойством сверхпроводников является не то, что они очень хорошо проводят электричество (хотя так и есть). Наиболее фундаментальное свойство было открыто Вальтером Мейсснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году. Оно называется эффектом Мейсснера. Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что магнитные поля не могут проникать внутрь сверхпроводников и ограничены тонким поверхностным слоем. Сверхпроводники «не выносят» магнитные поля. Это их фундаментальное свойство.

Сверхпроводники получили свое название благодаря более очевидному и впечатляющему свойству — их особому таланту поддержания электрических токов. Сверхпроводники могут пропускать электрические токи, которые протекают без сопротивления и, следовательно, существуют неограниченное время, даже без батареи, которая бы их питала. Далее проследим связь между эффектом Мейсснера и такой сверхпроводящей способностью.

Если мы подвергнем сверхпроводящее тело влиянию внешнего магнитного поля, то, согласно эффекту Мейсснера, это тело должно найти способ нейтрализовать магнитное поле так, чтобы внутри него поля не было. Тело может обеспечить это только путем создания собственного равного и противоположного магнитного поля. Однако магнитные поля генерируются токами. Чтобы сгенерировать магнитное поле, которое обнуляет общее поле, сверхпроводящее тело должно быть способно поддерживать токи, которые сохраняются бесконечно долго.

Таким образом, возможность «суперпотока» электрического тока обусловлена эффектом Мейсснера. Эффект Мейсснера является фундаментальным. Это истинный признак сверхпроводника.

Эффект Мейсснера распространяется не только на реальные магнитные поля, но и на те, которые возникают как квантовые флуктуации. Таким образом, свойства виртуальных фотонов, которые представляют собой колебания электрического и магнитного полей, изменяются внутри сверхпроводника. Сверхпроводник делает все возможное, чтобы нейтрализовать эти колеблющиеся магнитные поля. Как следствие, виртуальные фотоны внутри сверхпроводника являются более редкими и распространяются на меньшие расстояния, чем в пустом[60]пространстве.

В представлении мира, основанном на Сетке, электрические и магнитные силы возникают в результате взаимодействия между заряженными источниками и виртуальными фотонами, также называемыми флуктуациями поля. Частица A влияет на флуктуации поля вокруг нее, что также влияет на другую частицу B. В этом заключается наше самое фундаментальное представление того, как возникает взаимодействие между частицами A и B. Это то, что вы видите на базовой диаграмме Фейнмана (см. рис. 7.4).

Поэтому тот факт, что флуктуации поля внутри сверхпроводника становятся редкими и короткодействующими, означает, что соответствующие электрические и магнитные силы эффективно ослабевают и перестают действовать на большие расстояния.

Обнуляющие поля сверхтоки также усложняют реальным фотонам жизнь внутри сверхпроводников. Требуется больше энергии для самовосстановления полевых возмущений, которые, как мы узнали, представляют собой фотоны. В уравнениях этот эффект проявляется как ненулевая масса фотонов. Короче говоря, внутри сверхпроводников фотоны являются тяжелыми.

Слабое взаимодействие — это короткодействующая сила. Поля, ответственные за эту силу, W и Z, во многом подобны электромагнитному полю. Частицы, возникающие как возмущения в этих полях — W- и Z-частицы, — напоминают фотоны. Подобно фотонам, они являются бозонами. Как и фотоны, они реагируют на заряды, но не на электрические заряды, а на то, что мы называем зелеными и фиолетовыми зарядами с похожими физическими свойствами. Их наиболее очевидное отличие от фотонов состоит в том, что W- и Z-бозоны являются тяжелыми частицами. (Вес каждой из них равен весу 100 протонов.)

Короткодействующая сила. Тяжелые частицы. Звучит знакомо? А должно. Это как раз свойства электромагнитных сил и фотонов внутри сверхпроводников.

Современная теория электрослабых взаимодействий в значительной степени связана с аналогией между тем, что происходит с фотонами внутри сверхпроводников, и наблюдаемыми свойствами W- и Z-бозонов в космосе. Согласно этой части Центральной теории сущность, которую мы воспринимаем как пустое пространство, то есть Сетка, представляет собой сверхпроводник.

Несмотря на глубину концептуальных и математических параллелей, сверхпроводимость Сетки отличается от обычной сверхпроводимости в четырех отношениях.

• Присутствие. Обычная сверхпроводимость требует особых материалов и низких температур. Даже для новых «высокотемпературных» сверхпроводников максимальная температура не превышает 200 К (комнатная температура составляет около 300 К).

Сверхпроводимость сетки присутствует повсюду, и ее нарушения никогда не наблюдалось. Теоретически она должна сохраняться примерно до 1016 К.

• Масштаб. Масса фотона внутри обычного сверхпроводника составляет 10–11 массы протона или меньше.

Массы W и Z составляют около 102 массы протонов.

• Токи. Сверхтоки обычной сверхпроводимости — это потоки электрического заряда. Они приводят к тому, что электромагнитные поля становятся короткодействующими, а фотоны приобретают массу.

Сверхтоки сверхпроводимости Сетки — это коррелированные потоки гораздо менее знакомых типов заряда: фиолетового слабого заряда и гиперзаряда. Поля W и Z могут генерироваться этими потоками, поэтому силы, генерируемые полями W и Z, становятся короткодействующими, а частицы W и Z приобретают массу.

• Субстрат. Хотя многие детали остаются неизвестными, мы в общем понимаем, как работают обычные сверхпроводники. (Для многих сверхпроводящих материалов у нас есть довольно детальная и точная теория; для других, в том числе для так называемых высокотемпературных сверхпроводников, разработка теорий продолжается.) В частности, мы знаем, из чего состоят их сверхтоки. Сверхтоки — это потоки электронов, организованные в так называемые куперовские пары.

Напротив, у нас нет надежной теории относительно того, из чего состоят сверхтоки Сетки. Ни одно из полей, наблюдавшихся нами до сегодняшнего дня, не обладает подходящими свойствами. Теоретически возможно, что за все ответственно одно новое поле, так называемое поле Хиггса, и сопутствующая ему одноименная частица. Возможно также участие нескольких полей. В теориях с суперсимметрией, которые в значительной степени проявились в наших идеях об объединении, есть по меньшей мере два поля, делающих вклад в сверхтоки, и как минимум пять связанных с ними частиц. (Выражаясь языком главы 8, существует два конденсата и пять различных полевых возмущений.) Все может оказаться еще сложнее. Мы не знаем. Экспериментальная проверка этих вопросов является основной целью проекта БАК.