М.Г. Иванов - Как понимать квантовую физику, страница 8

В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА17и связывают его получение с возможным концом света. Разумеется, подобная популярность связана не столько с физикой, сколько с эффектамиобщественного сознания.Вероятно, первопричиной популярности частицы Хиггса является то,что её обнаружение объявлено одной из главных целей Большого адронногоколлайдера (БАК) — самого сложного технического устройства, созданногокогда-либо человечеством. Первоначальный толчок раздуваемым прессойсенсациям дали сами физики, пытаясь популярно объяснить прессе зачемнужен БАК.Такая популяризация современной физики для широкой неподготовленной аудитории неизбежно содержит в себе черты вульгаризации,а в условиях, когда новости (и, в особенности, сенсации) являются скоропортящимся товаром, который надо быстро продать, жёлтая пресса14 началасоревнование по наиболее сенсационной подаче публике Большого адронного коллайдера и бозона Хиггса.Дополнительным источником сенсаций («газетных уток») про бозонХиггса явилась «интерференция» новостей о нём с сообщениями о возлагаемых на БАК надеждах на открытие эффектов квантовой гравитации,таких как рождение микроскопических чёрных дыр и их разновидностей(кротовых нор, машин времени).На протяжении многих десятилетий эффекты квантовой гравитациипредсказывались для энергий, сравнимых с энергией Планка (1,2×1028 эВ).Такие прогнозы убивали надежды на экспериментальное исследованиеквантовой гравитации в исторически обозримом будущем (энергия, достигаемая на БАК, — 1,4 × 1013 эВ, она меньше энергии Планка в 1015 раз).В последние полтора десятка лет (примерно с 1998 г.) физики научилисьпридумывать модели, в которых квантовая гравитация проявляет себя ужена следующем поколении ускорителей, а также научились объяснять себе,почему эти модели можно считать естественными (действительно, стольгромадное различие в характерной энергии между гравитацией и всемиостальными фундаментальными взаимодействиями выглядит странно).Для прессы бозон Хиггса, который связан с полем Хиггса, которое ответственно за появление у частиц массы, и эффекты квантовой гравитации,которые также, очевидно, связаны с массой, практически неразличимы, поэтому страшилки на обе темы друг друга взаимно подпитывали и усиливали.14 К сожалению, в вопросах фундаментальной науки к «жёлтой прессе» следует относитьвсе средства массовой информации (СМИ), за исключением специальных научных изданийи очень небольшого числа лучших научно-популярных изданий.

В качестве первого приближения вы смело можете считать «жёлтым» любое СМИ, в котором может быть опубликованастрологический гороскоп.18ГЛАВА 1Разумеется, как бозон Хиггса, так и чёрные микродыры быстро распадаются и вполне безопасны для человека, не подставляющегося под пучокускорителя.1.1.9. Вакуум (*)«Как все знают», вакуум (классический вакуум) — это пустота, в которой все поля обращаются в нуль.

Однако в квантовой теории на разныекомпоненты физических полей мы можем написать соотношения неопределённостей, как для координаты и импульса. Таким образом, классический вакуум не может существовать. В реальном пространстве всегда естьнекоторые неустранимые неопределённости физических полей, которые немогут обратиться в нуль. С этими неопределённостями связана ненулеваясредняя энергия, которую можно приписать постоянно рождающимся изничего и исчезающим в никуда виртуальным частицам, которые рождаются и аннигилируют в вакууме на временах, позволяемых соотношениемh̄неопределённости энергия-время τ ∼ mc2.Для многих квантовых теорий поля рассчитываемая плотность энергии вакуума оказывается бесконечной. В такие теории приходится вводитьспециальные процедуры устранения бесконечностей.Внесение в вакуум частицы приводит к его поляризации, подобнойполяризации диэлектрической среды, в которую внесён электрический заряд.

Эта поляризация создаётся отклонениями в движении виртуальныхчастиц. В результате заряд (электрический или другой) частично экранируется (или, наоборот, усиливается) и эффективный заряд частицы (силаеё взаимодействия с каким-либо полем) оказывается зависящим от масштаба расстояний или волновых чисел (импульсов). Аналогичным изменениямподвергаются массы (за счёт вовлечения в движение виртуальных частиц).В большинстве теорий наблюдамые на бесконечности массы и заряды частиц отличаются от параметров «голой» (без учёта поляризации вакуума)частицы в бесконечное число раз. Для устранения этих бесконечностей также приходится вводить специальные процедуры (перенормировки).Таким образом, в пустоте, «в которой ничего нет», на самом деле чтото происходит, это «что-то» имеет ненулевую энергию, и что такое вакуумстановится вообще непонятно.Вакуум можно определять по-разному.

Причём эти определения невсегда сходятся между собой.Из общей теории относительности приходят такие эквивалентныеопределения:• Вакуум-1 — это среда, движение относительно которой невозможнообнаружить.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА19• Вакуум-1 — это среда, натяжение которой (давление с обратным знаком) равно объёмной плотности энергии.Физики могли бы назвать вакуум «эфиром», в духе электродинамикиXIX века, но так не делают, чтобы избежать чрезмерно механистическиханалогий, связанных со старыми теориями эфира. Можно было бы сохранить в физике понятие эфира, если бы физики своевременно догадалисьпридумать среду, движение относительно которой в принципе невозможнообнаружить.Из квантовой теории поля приходят такие неэквивалентные определения:• Вакуум-2 — это состояние квантованного поля, в котором отсутствуютвозбуждения (частицы или квазичастицы).• Вакуум-3 — это состояние квантованного поля с минимальной энергией.Таким образом, мы располагаем по крайней мере тремя неэквивалентными определениями вакуума.Если вакуум-2 или вакуум-3 не соответствует вакууму-1, то он явнопротиворечит теории относительности.

Такой вакуум не годится на рольвакуума фундаментальной теории, но он может появляться в теориях конденсированного состояния как некоторое фоновое состояние среды, по которому распространяются различные возбуждения (частицы или квазичастицы).Если вакуум-2 не является вакуумом-3, то это означает, что мы выбрали неправильный вакуум (неправильный фон), случайные возбуждения делают это состояние неустойчивым, и оно самопроизвольно свалится в другое состояние с более низкой энергией.

Выбор такого неправильного вакуума означает не только неправильное определение фона, по которому бегаютвозбуждения, но и неправильное определение самих этих возбуждений, разони отсчитываются от неправильного фона. Выбирая неправильный вакуум, мы неправильно считаем сколько частиц присутствует в интересующем нас состоянии поля. Часто неправильный выбор вакуума связан с тем,что настоящий вакуум-3 менее симметричен, чем вакуум-2, и поэтому егосложнее найти. Такую ситуацию называют спонтанным нарушением симметрии.Модели поля Хиггса строят как раз таким образом, чтобы минимальнаяэнергия соответствовала однородному ненулевому потенциалу.

Для этогов плотность энергии поля вводится член, вида потенциал «мексиканская20шляпа»ГЛАВА 1U (Φ) = a|Φ|4 − b|Φ|2 .Если вакуум-1 не является вакуумом-3, то его называют псевдовакуумом. Он может существовать какое-то время, воспринимаясь как настоящийвакуум, после чего спонтанно разрушится, высвободив избыток энергиив виде частиц, которые будут возбуждениями уже на фоне другого вакуума,с более низкой энергией. В современной теории Большого взрыва распадпсевдовакуума связывают с завершением стадии инфляции (экспоненциального раздувания ранней Вселенной) и рождением во Вселенной вещества.Для того чтобы существовало состояние вакуум-3, необходимо, чтобыспектр возможных значений энергии квантованного поля был ограниченснизу.

Для многих теорий эта ограниченность очевидна, но для гравитационного поля это не так. Гравитация описывает притяжение частиц, изза чего гравитационная энергия, как правило, отрицательна. Достигает лиона минимума, или может неограниченно уходить в область отрицательныхзначений? Поскольку у нас пока нет квантовой теории гравитации, ответана этот вопрос мы пока не знаем. Если энергия гравитационного поля неограничена снизу, то вакуум-3 вообще не существует. В этом случае можетоказаться, что каждый очередной вакуум-1 — это на самом деле псевдовакуум, распад которого может порождать всё новые и новые частицы (илидаже Вселенные).1.2.

Откуда пошла квантовая теорияВ начале XX века, когда создавалась квантовая механика, физики незнали большую часть того зоопарка частиц, которые рождаются на ускорителях сегодня. Из четырёх известных сегодня взаимодействий было известно только два «школьных»: гравитационное и электромагнитное.Постепенно становилось понятно, что должно быть ещё какое-то«ядерное взаимодействие», связанное с взаимодействием частиц внутриатомных ядер.

По мере развития физики различие в скоростях ядерных реакций подсказало, что ядерных взаимодействий на самом деле два — сильное («склеивающее» частицы в ядрах) и слабое (отвечающее за β-распад).Первоначально квантовая механика была теорией фотонов и нерелятивистских заряженных частиц (электронов и атомных ядер). Более того,тяжёлые (по сравнению с электронами) атомные ядра в большинстве первоначальных задач можно было рассматривать как классические объекты.Так что первоначальные объекты квантовой механики — фотоныи нерелятивистские электроны во внешних полях.