{173}
Если вы повысите температуру много больше, то получите четвёртое состояние материи, известное как плазма, в котором атомы разрушаются на составляющие частицы.
(обратно){174}
Имеются любопытные вещества, такие как соли Рошелле, которые становятся менее симметричными при высоких температурах и более симметричными при низких температурах — противоположно тому, что мы, как правило, ожидаем.
(обратно)[175]
Хотя уменьшение симметрии означает, что меньшее число преобразований проходят незамеченными, тепло, переданное окружающей среде во время такой трансформации, гарантирует, что полная энтропия — включая энтропию окружающей среды — всё же возрастает.
(обратно){176}
Одно различие между полями сил и материи выражается принципом исключения Вольфганга Паули. Этот принцип показывает, что, в то время как огромное количество частиц — переносчиков сил (вроде фотонов) могут объединяться, чтобы создать поля, понятные доквантовому физику, такому как Максвелл, — такие поля, которые вы видите всякий раз, когда заходите в тёмную комнату и включаете свет, но частицам материи в общем случае законы квантовой физики запрещают такое кооперирование согласованным, организованным способом. (Более точно, две частицы одного и того же типа, такие как два электрона, не могут иметь одинаковое состояние, тогда как для фотонов такого ограничения нет. Из-за этого поля материи в общем случае не имеют макроскопического, классического проявления.)
(обратно){177}
В схеме квантовой теории поля каждая известная частица выглядит как возбуждение определённого фундаментального поля, связанного с семейством, членом которого является частица. Фотоны есть возбуждения фотонного поля — т. е. электромагнитного поля; u-кварк является возбуждением поля u-кварков; электрон есть возбуждение электронного поля и т. д. Таким образом, вся материя и все силы описываются единым квантово-механическим языком. Однако оказалось, что очень трудно описать на этом языке все квантовые свойства гравитации, эту проблему мы будем рассматривать в главе 12.
(обратно){178}
Хотя поле Хиггса названо в честь Петера Хиггса, но жизненно важную роль в его появлении в физике и в его теоретическом исследовании сыграло большое число других физиков, среди них — Томас Киббл, Филип Андерсон, Роберт Браут и Франсуа Энглер.
(обратно){179}
Имейте в виду, что величина поля задаётся расстоянием от него до центра чаши, так что хотя поле имеет нулевую энергию, когда его величина находится в жёлобе чаши (поскольку высота над дном жёлоба обозначает энергию поля), его величина не равна нулю.
(обратно)[180]
Терминология не особенно важна, но коротко укажем, откуда она происходит. Жёлоб на рис. 9.1в и г имеет симметричную форму (он круговой), в которой каждая точка эквивалентна любой другой (каждая точка жёлоба обозначает величину поля Хиггса с минимальной возможной энергией). Кроме того, когда величина поля Хиггса сползает на дно чаши, она располагается только в одной определённой точке жёлоба, таким образом, она «спонтанно» выбирает одно положение в жёлобе как специальное. Теперь все точки жёлоба не являются больше одинаково равноправными, поскольку одна выделена, так что поле Хиггса уничтожает или «нарушает» исходную симметрию между ними. Поэтому процесс, в котором поле Хиггса соскальзывает к одной частной ненулевой величине в жёлобе, называется спонтанным нарушением симметрии. Далее в тексте мы более детально опишем детали нарушения симметрии, связанные с формированием океана Хиггса.{327}
(обратно){181}
В принципе, имеются два понятия массы, которые фигурируют в физике. Одно понятие описано в тексте: масса есть свойство объекта, определяющее его способность сопротивляться ускорению. Иногда эту массу называют инертной массой. Второе понятие массы имеет отношение к гравитации: масса, как такое свойство объекта, которое определяет, насколько сильно он будет притягиваться гравитационным полем заданной величины (таким как поле Земли). Иногда это понятие массы называется гравитационной массой. На первый взгляд, поле Хиггса имеет отношение только к пониманию инертной массы. Однако принцип эквивалентности общей теории относительности утверждает, что силы, ощущаемые от ускоренного движения и от гравитационного поля, неразличимы — они эквивалентны. А это означает эквивалентность понятий инертной и гравитационной массы. Таким образом, поле Хиггса имеет отношение к обоим видам массы, которые мы упомянули, поскольку, согласно Эйнштейну, они представляют собой одно и то же.
(обратно){182}
Я благодарю Рафаэля Каспера, который указал, что это описание является вариацией победной метафоры профессора Дэвида Миллера, предъявленной в 1993 г. в ответ на требование Британского министра науки Вильяма Вальдегрейва Британскому физическому обществу объяснить, почему деньги налогоплательщиков должны быть использованы на поиски частицы Хиггса.
(обратно){183}
Склонный к математике читатель должен отметить, что фотоны, W-, и Z-бозоны описываются в электрослабой теории как принадлежащие к присоединённому представлению группы SU(2) × U(1), а потому преобразовываются под действием этой группы. Более того, уравнения электрослабой теории полностью симметричны относительно преобразований этой группы, и в этом смысле мы описываем частицы сил как взаимосвязанные. Более точно, в электрослабой теории фотон является определённой смесью калибровочного бозона, проявляющего явную U(1)-симметрию, и U(1)-подгруппы группы SU(2); таким образом, он тесно связан со слабыми калибровочными бозонами. Однако вследствие структуры группы, имеющей вид произведения двух групп, четыре бозона (на самом деле имеются два W-бозона с противоположными электрическими зарядами) не полностью смешиваются под её действием. В этом смысле слабое и электромагнитное взаимодействия являются частью единой математической структуры, но не настолько сильно унифицированы, как это могло бы быть. Если включить ещё и сильные взаимодействия, группа пополняется путём включения множителя SU(3) — «цветная группа» SU(3) — и тогда эта группа, имея три независимых сомножителя, SU(3) × SU(2) × U(1), только ещё раз подчёркивает отсутствие полного объединения. Такова часть мотивировки великого объединения, обсуждаемого в следующем разделе: великое объединение ищет единственную, полупростую группу Ли — группу, состоящую из единственного сомножителя, — которая описывает силы на больших масштабах энергии.
(обратно){184}
Склонный к математике читатель должен заметить, что великая теория объединения Джорджи и Глэшоу базировалась на группе SU(5), которая включала SU(3), группу, ассоциирующуюся с сильным ядерным взаимодействием, а также SU(2) × U(1), группу, ассоциирующуюся с электрослабым взаимодействием. В дальнейшем физики изучали следствия других потенциальных групп великого объединения, таких как SO(10) и E6.
(обратно)[185]
Large Hadron Collider, LHC (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch). Ускоритель рассчитан на изучение взаимодействия протонов при столкновении частиц во встречных пучках, по 7 ТэВ энергии на частицу в пучке. Может работать также с тяжёлыми ионами. Запуск коллайдера был осуществлён 10 сентября 2008 г., но из-за технических проблем выход на проектную мощность запланирован на лето 2009 г. (Прим. ред.)
(обратно){186}
Как мы видели, сам Большой взрыв не произошёл в определённом месте предсуществующего пространства, вот почему мы также не спрашиваем, где он взорвался. Шутливое описание неполноценности Большого взрыва, которое мы использовали, принадлежит Алану Гуту; см., например, его книгу: Guth A. The Inflationary Universe. Reading, Eng.: Perseus Books, 1997. P. xiii.
(обратно){187}
Термин «Большой взрыв» иногда используется для обозначения события, которое само произошло в момент времени «нуль», приведя Вселенную к существованию. Но поскольку, как мы будем обсуждать в следующей главе, уравнения общей теории относительности в момент «нуль» не работают, никто не имеет никакого понятия, чем на самом деле было это событие. Этот пробел мы и имеем в виду, когда говорим, что теория Большого взрыва не включает в себя взрыв. В этой главе мы ограничимся ситуациями, в которых уравнения не отказывают. Инфляционная космология использует такие хорошо ведущие себя уравнения, чтобы описать быстрое взрывное раздувание пространства, которое мы естественно рассматриваем как взрыв, не описываемый самой теорией Большого взрыва. Однако этот подход определённо оставляет без ответа вопрос о том, что происходило в начальный момент создания Вселенной — если действительно был такой момент.
(обратно){188}
Pais A. Subtle Is the Lord. Oxford: Oxford University Press, 1982. P. 253 (рус. пер. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989. С. 245).
(обратно){189}
Отметим для склонного к математике читателя: Эйнштейн заменил исходное уравнение
на
где Λ есть число, обозначающее величину космологической постоянной.
(обратно)