Эта статья является конспектом материала об изменчивости законов физики из книги Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной.
Все больше физиков-теоретиков склоняются к мнению, что законы физики могут изменяться и эти изменения в большинстве случаев смертельные. Однако все же есть места, которые идеально подходят для нашего существования. Чтобы понять, как мы оказались в этом месте, необходимо понять изменчивость законов физики насколько большим является диапазон изменения законов и как область пространства может изменить свой характер. Это подводит к главной проблеме из книги Ландшафту.
Ландшафт это пространство возможностей. Ландшафт неограничен тремя измерениями, он простирается на сотни или даже на тысячи измерений. Это не реальное место. Это математическая конструкция и каждая ее точка отображает некий набор возможностей окружающей среды, или возможного вакуума.
Обычно словом вакуум принято обозначать пространство из которого удалили воздух и любое другое вещество. Но в теоретической физике вакуум обозначает своего рода сцену, на которой разворачивается физическое действие и потенциально содержит все, что может произойти на этой сцене. Это и все элементарные частицы, и фундаментальные физические константы, которые можно измерить в экспериментах, проводимые в этом вакууме. В конце концов это среда, в которой Законы Физики принимают определенную форму. Каждый отдельный вакуум означает другие Законы Физики. Каждая точка Ландшафта представляет собой набор законов, которые могут отличаться значительно друг от друга. И наша стандартная модель это лишь одна из этих точек на ландшафте возможностей.
Идея вселенных с альтернативными законами природы кажется фантастикой. Но она более реально, чем кажется. Возьмем, например, МРТ (магнитно-резонансную томографию). Эффект магнитного поля обнаруживается в виде небольших изменений энергетических уровней атомов и отражается на спектр излучения. Разумеется, магнитное поле МРТ-аппарата слабое для того, чтобы значительно влиять на движение заряженных частиц. Но в очень сильном поле человек будет чувствовать себя неуютно и влияния может стать фатальным, потому что изменение свойств атомов приведет к ужасным последствиям протекания химических и биологических процессов.
Однако с одной стороны, можно сказать, что фундаментальные законы природы не изменились, а изменилась физическая среда, в которой присутствует сильное магнитное поле. С другой же стороны изменились правила расчета диаграмм Фейнмана. По итогу правильнее сказать, что законы физики определяются окружающей средой.
Поля
Поля это особые невидимые свойства, оказывающие влияние на поведение объектов. Типичным примером служит магнитное поле. Многие помнят опыт с железными опилками, образующие рисунок вокруг магнита, который повторяет силовые линии магнитного поля.
Менее знакомо по опыту электрическое поле тесно связано с магнитным. Оно не оказывает заметного эффекта на железные предметы, но именно оно отвечает за притяжение маленьких кусочков бумаги наэлектризованным предметом. При трении объектов электроны с одного переходят на другой и тем самым приобретают противоположные знаки электрического заряда. Такие тела вокруг себя создают электрическое поле. В итоге Законы Физики оказываются переменными, потому что они определяются полями, а поля могут изменяться. Кроме магнитного и электрического полей, есть и другие способы модифицировать вакуум. Например, можно использовать гравитационное поле. Во второй половине XX в. открыли новые элементарные частицы, новые типы взаимодействия и, как следствие, новые поля и все они будут оказывать влияние на обычную материю. Однако поле Хиггса более интересно в плане изучения Ландшафта.
Поле Хиггса не было открыто в обычно, экспериментальном смысле. Без этого поля стандартная модель была несогласованной. В конце 1960-х начало 1970-х гг. теоретики показали, что способом починки стандартной модели является добавление в нее частицы Хиггса. Однако какая связь заставляет давать одинаковые имена частице и полю? Идея поля впервые появилась в середине XIX в. и считалось, что оно имеет вид гладких возмущений в пространстве, которое оказывало действие на движение частиц, но само поле не состояло из них. Но в 1905 г. Эйнштейн, во время исследований излучения абсолютно черного тела, выдвинул утверждение, что электромагнитное поле состоит из большого количества частиц, которые он назвал фотонами или квантами. Когда их мало, они проявляют себя подобно частицам. Но когда огромное количество квантов двигается скоординировано, они ведут себя как поле квантовое поле. Это отношение частиц и полей оказалось всеобщее. Для каждой частиц есть свое поле и наоборот. Поэтому их называют одинаковыми именами. Электромагнитное поле может быть названо фотонным полем. Из этого следует, что частица Хиггса тоже имеет поле.
Стандартная модель без частицы Хиггса математически верная, если все частицы двигались бы со скоростью света, как фотоны. Такие частицы не могут иметь массы, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса дает элементарным частицам массу.
Если поле Хиггса можно было включать и выключать с такой легкостью, как и магнитные поля, то, например, можно было бы менять массу частиц по усмотрению. Увеличение массы электрона приведет к тому, что они начнут вращаться ближе к ядру атома, что, в свою очередь, радикально изменило бы химию. Или если вовсе лишить электрон массы, то он не сможет оставаться внутри ядра. Подобные изменения в Законах Физики будут фатальными.
Всякий раз, когда перед математиками или физиками встает задача, которая содержит несколько переменных, они думают о пространстве, содержащем возможные значения этих переменных. Например, возьмем температуру, давление или влажность воздуха. Всевозможные значения каждого из этих параметров можно представить в виде одномерного пространства, содержащее возможные значения. Если делать измерения сразу трех параметров, то состояние погоды будет в виде точки в трехмерном пространстве. Их комбинация дает больше информации о погоде, чем по отдельности каждый из них.
Законы Физики это своего рода погода в вакууме, только вместо температуры, атмосферного давления и влажности эта погода определяется величиной полей. И точно так же, как знакомая нам погода определяет характер водяных капель в воздухе, вакуумная погода определяет список элементарных частиц и их свойства. Однако сколько же этих полей? Некоторые из них мы уже знаем электромагнитное и поле Хиггса. Однако, чтобы стали известны другие поля, необходимо узнать о главнейших законах природы больше, чем дает Стандартная модель. На текущий момент главной ставкой на открытие такого универсального закона это теория струн.
Независимо от количества полей сам принцип остается такой же. Представим математическое пространство, каждая размерность которого соответствует отдельному полю. Если полей десять, пространство будет десятимерным. Это пространство и есть ландшафт. Точка на таком ландшафте определяет величины всех полей состояние вакуумной погоды. Это состояние определяет набор элементарных частиц, их массы и законы взаимодействия.
Холмы и долины
Карта реальной местности неполна, если на ней отсутствуют указания на высоту тех или иных точек над уровнем моря.
Представим модель местности, которая изображает горы, долины и равнины в миниатюре. Пустим в случайном месте по ней кататься маленький шарик. Он покатится вниз до тех пор, пока не остановится в нижней части какой-нибудь долины. Почему именно так? Физики предлагают следующее объяснение: шарик имеет потенциальную энергию, которая зависит от высоты. Чем больше высоте, тем больше потенциальная энергия. Шарик стремится скатиться туда, где его потенциальная энергия имеет наименьшее, или локальное наименьшее, значение. Из этого следует, что физику, который изучает движение шарика, карта такой модели дает информацию об изменении потенциальной энергии.
Космический Ландшафт также имеет холмы, долины, горы и равнины. Только места шариков на этом ландшафте занимают карманные вселенные. Это, как если бы в сводке погоды заявили, что какой-то определенный город занимает область в районе минус пяти градусов на температурной шкале. Высота точки на таком ландшафте представляет потенциальную энергию карманной вселенной. И подобно шарику, вселенная стремится эволюционировать в состояние с наименьшей потенциальной энергией.
Вернемся к Законам Физики в МРТ-аппарате. Если магнитное поле будет единственным полем внутри аппарата, ландшафт будет одномерный. Магнитное поле не возникнет само по себе. Соответственно везде, где есть поля, есть и энергия. Например, энергия, содержащаяся в электромагнитном поле луча света, нагревает освещаемые им холодные предметы. В магнитном поле МРТ-аппарата тоже содержится энергия. Однако ее хватило бы только на то, чтобы вскипятить полстакана воды.
Добавив к одномерному ландшафту вертикальную ось, можно графически отобразить энергию в каждой точке. Энергия магнитного поля пропорционально квадрату его напряженности, поэтому график будет в виде параболы.
Присутствие двух полей, например, электрического и магнитного, вносит еще больше разнообразия в ландшафт. Так как электрическое поле тоже имеет энергию, то высота ландшафта будет изменяться уже в двух горизонтальных измерениях.
Поскольку электрическое и магнитное поля по-разному влияют на поведение электрона, их движения будут описываться более сложными траекториями, чем в каждом из полей по отдельности. Если все пространство равномерно заполнить этими двумя полями, можно будет утверждать, что Законы Физики зависят от местоположения вселенной на двумерном ландшафте. В природе существует, конечно же, больше полей, но общий принцип не меняется: каждая точка на ландшафте, или, другими словами, каждая комбинация полей соответствует определенному значению плотности энергии. Если представим, что поля расположены в горизонтальной плоскости, нужно добавить к ландшафту одну ось для представления энергии. Эту ось можно назвать высотой и получаем ландшафт с равнинами, холмами, горами и долинами.
Полем Хиггса в отличие от магнитного несоизмеримо труднее манипулировать. Для изменения даже на ничтожную величину требуется колоссальное количество энергии. Однако если это было реально, то можно было бы менять по усмотрению массы всех элементарных частиц, кроме тех, что ее попросту не имеют, например, фотоны.
Из опыта известно, что все частицы определенного типа имеют одинаковую массу. Именно поэтому, когда заходит речь о массе, например, электрона, не уточняется, какой из них имеется в виду.
Фотоны же являются исключением, когда речь заходит об их массе. Масса определяется по ускорению тела, когда тело начинает движение из состояния покоя. Фотоны всегда движутся, причем с одной и той же скоростью. Фотоны, согласно Эйнштейну, являются частицами света, а свет всегда движется со скоростью света. Это означает, что масса фотона равна нулю. И в принципе, любая частица, способная двигаться со скоростью света, должна быть безмассовой.
Из всех экспериментально открытых частиц безмассовой является только фотон. Однако есть основание полагать, что существует по крайней мере еще одна. Массивные объекты, двигаясь относительно друг друга, возмущают гравитационное поле, что приводит к излучению гравитационных волн. Эти гравитационные волны слишком слабы, чтобы обнаружить их на Земле. Но иногда во Вселенной могут происходить грандиозные события, которые порождают мощное гравитационное излучение. Пример таких событий является слияние черных дыр. Если теория верна, то эти волны распространяются в пространстве со скоростью света, поэтому разумно предположить, что они состоят из безмассовых частиц гравитонов.
Хотя ранее говорилось, что массы частиц одного типа одинаковые, здесь есть одна тонкость. Масса частиц зависит от величины поля Хиггса в той точке, где в данный момент находится частица. Соответственно, если можно было менять значение поля Хиггса, то масса частиц зависела бы от местоположения.
В обычном вакуумном состоянии величина большинства известных полей равна нулю. Поля, конечно, могут флуктуировать из-за квантовых эффектов, но средняя величина поля остается нулевой. Создание ненулевого поля требует энергии. Но поле Хиггса отличается. Его среднее значение в вакууме отлично от нуля.
Как же можно объяснить, что поле Хиггса дает частицам массу? Автор книги, не вдаваясь в дебри математики Стандартной модели, пытается обрисовать главную идею следующим образом. Как уже говорилось ранее, без поля (или частицы) Хиггса квантовая теория поля, описывающая Стандартную модель, будет математически верная, если все частицы будут безмассовыми. Фактически масса частиц возникает, когда они движутся сквозь жидкость, состоящую из частиц Хиггса. Это выглядит так, будто эта жидкость сопротивляется движению частиц. Только это не похоже на обычное трение, которое тормозит частицу. Вместо этого, хиггсовская жидкость сопротивляется изменению скорости частиц. Посмотрим на диаграмму Фейнмана.
Если в некоторой области удастся создать нулевое хиггсовое поле, оно оказало бы разрушительный эффект на атомы. Жизнь в том виде, в каком она нам известна не возникла бы в такой области. Однако для этого требуется неимоверного количества энергии. Например, для очистки от частиц Хиггса одного кубического сантиметра пространства понадобится порядка 1040 джоулей, что равняется излучаемой энергии Солнца за миллион лет.
Почему же поле Хиггса так отличается от других полей? Ответ спрятан в Ландшафте. Представим одномерный ландшафт только с одним полем Хиггса. График, описывающий такой ландшафт, интереснее, чем простая парабола. Он представляет собой две глубокие впадины, разделенные высокой горной вершиной. Почему именно так, никто до конца не понимает. Это еще один эмпирический факт, который следует принимать как данность.
Вершина горы это точка, где поле Хиггса равно нулю. Эта вершина представляет собой среду с огромной плотностью энергии. Это смертоносная среда.
Наш же уголок Вселенной является безопасным. В нем плотность энергии минимальна. В этой долине поле Хиггса отличается от нуля, поэтому частицы имеют массу. Полный ландшафт теории струн напоминает только, что описанный, но он бесконечно богаче самыми неблагоприятными для существования жизни возможностями. Дружественные обитаемые долины редкое исключение.
Качение по Ландшафту
Из четырехмерного (3 пространственных измерения и 1 временное) взгляда на мир следует, что если Законы Физики могут меняться от одной точки пространства к другой, то также они должны меняться со временем. Следовательно, законы природы могут меняться внезапно и постепенно.
Представим очень длинную радиоволну (возмущение электромагнитного поля), например, в 2 световых года. В этом случае, когда она будет проходить через физическую лабораторию и будут происходить замеры поля, то в течение полугода значение будет увеличиваться по модулю (каждый цикл колебания начинается с нулевого значения), затем следующие полгода уменьшаться до нуля. Медленно изменяющиеся поля приведут к тому, что поведение электронов тоже будет меняться со временем.
Может ли поле Хиггса меняться со временем? Допустим, имеется Хиггс-шафт. Он является ландшафтом с высокой вершиной, разделяющей две глубокие впадины. Вселенная поведет себя подобно балансирующему шарику на острие ножа, такое состояние нестабильно и малейшее возмущение отправит шарик в одну из долин.
Если поверхность ландшафта совершенно гладкая и трение отсутствует, то шарик будет бесконечно продолжать двигаться, то свалившись в долину, то поднявшись на вершину. Но если незначительное трение все же есть, то шарик по итогу остановится на дне одной из долин.
Примечание: когда Вселенная находилась в верхней части горы, энергия вакуума заставляет ее расширяться, проявляясь в виде космологической постоянной (многим этот термин знаком как темная энергия). Расширение Вселенной приводит к появлению своего рода сопротивления, называемого космическим трением.
Подобным образом ведет себя поле Хиггса. Вселенная катается по Ландшафту, пока не остановится в одной из долин, сформировав обычный вакуум. Дно долины, в которой упокоится Вселенная, необязательно должно быть самой низкой точкой Ландшафта. Однако пока Вселенная пребывает в нижней части определенной долины, она будет оставаться в ней. Такую точку математическим термином называют локальный минимум. Таким образом, можно прийти к важному фундаментальному факту: возможный стабильный вакуум, или что тоже самое возможные неизменные Законы Физики, соответствует локальному минимуму Ландшафту.
Физики считают, что в очень ранней стадии эволюции Вселенной сразу после Большого взрыва, когда температура и давление были чрезвычайно велики, энергии было достаточно, чтобы поле Хиггса стало равным нулю. Поэтому Вселенная находилась на вершине горы. В ходе охлаждения Вселенная скатилась по склону в долину, где мы сейчас и живем.
Хиггс-шафт имеет небольшое количество локальных минимумов, и вероятность того, что в одном из минимумов плотность энергии будет составлять не более 10-120 (это приблизительная плотность энергии вакуума в нашей Вселенной), очень мала. Однако ландшафт теории струн гораздо сложнее и разнообразнее. Попробуем представить пространство с 500 измерениями, топография которого содержит порядка 10500 локальных минимумов, в каждом из которых действуют собственные физические законы. Это будет сложно, такое число лежит далеко за пределами наших представлений. Однако в таком огромном наборе возможностей наверняка найдется вариант, в котором плотность энергии вакуума равна 10-119.
Буду очень рад, если понравилась данная статья. Всем тем, кого заинтересовал материал рекомендую самим прочесть книгу, так как в конспекте я затронул небольшую ее часть.
