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

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 (τ) , 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.

Великим, а возможно, и величайшим открытием астрономии было то, что далекие звезды и туманности состоят из точно такого же вещества, что мы находим на Земле. Однако в последние десятилетия астрономы частично опровергли эту базовую истину. Они обнаружили, что источником примерно 95 % массы Вселенной является что-то другое. Новые формы материи, не состоящие из электронов, фотонов, кварков и глюонов, ответственны за 95 % массы Вселенной.

Новое вещество встречается по крайней мере в двух разновидностях, называемых темной материей и темной энергией. Это не очень подходящие названия, потому что одной из немногих вещей, которые мы знаем об этом веществе, является то, что оно не темное — оно не поглощает свет в какой-либо заметной степени. Не наблюдалось и излучение света этим веществом. Оно кажется совершенно прозрачным. Не наблюдалось также, что это вещество испускает протоны, электроны, нейтрино или космические лучи любого рода. Короче говоря, и темная материя, и темная энергия взаимодействуют с обычной материей очень слабо, если вообще взаимодействуют. Обнаружить их можно единственным способом — по гравитационному влиянию на орбиты обычных звезд и галактик, то есть того, что мы видим.

О темной материи мы знаем очень мало. Она может состоять из суперсимметричных частиц, как я говорил ранее, или из аксионов. (Мне очень нравятся аксионы, отчасти потому, что я дал им название. Я использовал эту возможность, чтобы исполнить мечту своей юности. Я заметил стиральный порошок под названием Axion, которое звучало для меня как название частицы. Поэтому, когда в теории возникла частица, которая очищала теорию от проблемы аксиального тока, я воспринял это как знак свыше. Проблема заключалась в том, чтобы проскочить мимо печально известных консервативных редакторов журнала Physical Review Letters. Я сказал им об аксиальном токе, но не о стиральном порошке, и это сработало.) Проводятся смелые эксперименты, и, если повезет, то через несколько лет у нас будет гораздо более четкое представление о том, что собой представляет темная материя.

О темной энергии нам известно еще меньше. Похоже, что она распределена совершенно равномерно, с одинаковой плотностью везде и всегда, как если бы она представляла собой неотъемлемое свойство пространства-времени. В отличие от любого обычного вида материи (даже суперсимметричных частиц или аксионов) темная энергия оказывает отрицательное давление. Она пытается разорвать вас! К счастью, несмотря на то, что на темную энергию приходится примерно 70 % массы всей Вселенной, ее плотность составляет всего лишь около 7 × 10 –30плотности воды, а ее отрицательное давление отменяет лишь 7 × 10 –14нормального атмосферного давления — меньше, чем триллионную часть. Я не знаю, когда у нас будут более четкие представления о том, что такое темная энергия. Думаю, не очень скоро. Но надеюсь, что я ошибаюсь.