Игорь Иванов: «А в основном эта лекция рукомахательная: смотрите за руками, я всё вам буду показывать на пальцах». 11 сентября 2007 года. Москва, ФИАН (Фото © Ю. А. Лебедев) Игорь Пьерович Иванов — кандидат физико-математических наук, Институт математики СО РАН (Новосибирск) и Льежский университет (Бельгия). В настоящее время работает в группе «Фундаментальные взаимодействия в физике и астрофизике» в Льежском университете.

Как живет протон?

Вы вот здесь собрались, а раз собрались, значит вам интересна физика. Наверное, вы читали какие-нибудь научно-популярные книжки или статьи и поэтому про устройство мира немножко знаете. Если вам первые две-три минуты покажутся чем-то знакомым — ничего страшного, потому что я начну с простых вещей. Но будьте внимательны, потому что быстро достаточно я перейду к вещам, о которых в школе не говорят. Но они достаточно простые, поэтому я тоже хочу про них рассказать. (Вопросы, если будут, задавайте.)

Итак, начнем с самых простейших вещей, которые знают, наверное, все, ну или почти все. Вот всё, что есть вокруг нас, — люстра, например, пол, воздух — всё это состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов. Это всё вы прекрасно знаете, это проходится даже, наверное, в средних или в начальных классах школы. Молекул на свете очень много. Я не знаю, сколько химики понасинтезировали веществ — думаю, что миллионы. И каждое вещество — особенное, потому что у него есть своя особенная молекула. Вот эти миллионы разных молекул на самом деле конструируются из атомов, которых не так много. Вот вы тоже, наверное, знаете периодическую систему: там чуть больше сотни атомов открыты сейчас, сотни элементов. В природе реально встречается и того меньше.

Так вот, из этого небольшого количества атомов можно комбинированием создать очень много разных молекул. Атомы — ну, вы тоже это хорошо знаете — не элементарны: они состоят из компактного ядра, которое там, вот, в центре находится, оно очень тяжелое, и электронных оболочек, которые сидят. (Я вам сейчас рассказываю эти простые вещи просто для того, чтобы ввести слова. Потом эти слова будут важны.) И, в конце концов, то ядро, которое сидит внутри каждого атома, которое очень маленькое по сравнению с атомом, но очень тяжелое, — оно тоже не элементарно: оно состоит из протончиков и нейтрончиков. Это вы тоже прекрасно знаете.

Это всё проходится в школе, и, казалось бы, это всё очень простые вещи, но на самом деле на эту ситуацию можно посмотреть чуть-чуть с иной стороны, на которую обычно не обращают внимания. Я сформулирую это так: во этих всех ситуациях, которые здесь у нас есть, — молекулы, атомы и ядра — везде работает принцип, который я назвал «принципом комбинирования».

Что это такое? Давайте я поясню. На самом деле, идея очень простая, даже слишком простая на первый взгляд. Она говорит о том, что более сложные и более тяжелые объекты можно получать из более простых просто присоединением каких-то дополнительных кусочков. Чем тяжелее объект, тем больше кусочков в нём есть. И поэтому усложнение объекта неизбежно связано с увеличением количества кусочков. Это работает и в обычных молекулах (вы представляете, какие бывают молекулы — бывают совсем маленькие, но если их соединить вместе, получаются большие, а есть и совсем гигантские молекулы, состоящие из большого числа атомов). То же самое работает и в атомах, и в атомных ядрах (есть ядра очень маленькие; например альфа-частица — очень маленькое ядро, но если присобачивать туда дополнительные протоны и нейтроны, то получаются в результате тяжелые ядра).

Казалось бы, зачем про это столько говорить? Это всё вообще элементарно. Казалось бы, как вообще иначе-то может быть? Настолько это очевидно. Так вот, когда мы окунемся в глубину протона, там будет совсем иначе. Там это не будет работать.

Но это будет через пять минут, а пока давайте посмотрим, до чего докопалась физика сейчас.

Возможно, и эту картинку вы тоже знаете, по крайней мере в 11-м классе по физике ее проходят. Современная физика «залезла» в самые глубины вещества. Это не так просто, как может показаться, потому что маленькие частички — их ведь не пощупаешь пальцами, и с помощью маленьких щипцов их тоже не возьмешь, и с помощью света их не разглядишь. В результате физики долго пытались разобраться, как «заглядывать» внутрь каких-то частиц, и выяснили, что проще всего их просто сталкивать друг с другом.

Сейчас эти эксперименты ставятся в разных центрах мира — это ускорители, которые разгоняют частицы и сталкивают их друг с другом. Если будут вопросы, я потом расскажу детали, и в конце тоже расскажу немного про эти эксперименты. Пока что нам важно знать, что эти эксперименты есть, что частицы сталкиваются друг с другом, и когда результаты столкновений рассматриваешь, то просто понимаешь, из чего они состоят.

Проанализировав всё это — а эти эксперименты начались примерно 40 лет назад, — физики быстро пришли к выводу, что протон тоже не элементарен. В нем есть тоже структура, и эта структура достаточно простая: там есть три маленьких компактных объекта, которые называются кварками.......

......

На самом деле, я просто хочу сказать следующее: что тема эта довольно опасная, потому что есть много людей, которые плохо разбираются в этой теме. На самом деле, серьезно. Просто, действительно, в науке есть несколько тонких моментов, вокруг которых идут споры. Тем не менее, есть экспериментальные данные — их очень много, — которые сейчас общепринято формулировать в таком виде: есть три компактных объекта (на всякий случай — в покоящемся протоне), которые примерно окружены таким... нечто такое окружает их, которое можно условно назвать «глюонное облако». Глюоны — это частицы, которые фактически приводят к притяжению этих кварков. И вот здесь происходит на самом деле очень интересная вещь — я, более того, даже смело скажу: вещь, с которой человечество раньше вообще никогда не встречалось. Эти глюонные силы очень необычны.

То, что происходит, выглядит примерно так. Опять же, с большими упрощениями, очень кратко, но выглядит это примерно так. Те силы, которые притягивают кварки, вдруг перестают быть просто силами — они материализуются. То есть, условно говоря, они выпадают в виде осадка, обволакивают эти кварки и находятся рядом с ними. Представляете? То есть не просто есть какие-то частицы, связанные силами, а вот эти поля, которые их связывают, вдруг начинают жить собственной жизнью. У них появляется материальная сущность.

Например, они весят — у них появляется масса. И они перестают быть просто «прислужниками» этих кварков, не просто притягивают их — они начинают притягивать сами себя, например. То есть разные части глюонного облака, которое здесь схематично нарисовано, тоже чувствуют друг друга и не позволяют этому облаку расшириться, они его сдерживают. Именно благодаря этому получается, что протон у нас (ведь это всё протон на самом деле) — достаточно компактный.

Благодаря этому получается, что кварк не может сильно далеко улететь. Вот вы представьте, что это не просто облако, и там кварки — это облако, которое порождается кварками. То есть сначала кварки начинают притягиваться, а потом эта сила, которая их сдерживает, выпадает в осадок, как бы конденсируется. И представьте себе, что, если сейчас взять и эти кварки пытаться раздвинуть, — на самом деле, такие эксперименты и проводятся — я прямо могу буквально сказать: берут и по какому-нибудь кварку щелчком так вот стукают. Это просто реальные эксперименты — в качестве щелчка, конечно, не палец используют, а какой-нибудь электрон: разгоняют электрон с большой энергией — бабах! — прям по кварку. Кварк пытается улететь, сколько у него силы есть, но он не может улететь из глюонного облака: он сам это облако порождает. В результате получается, что глюонное облако пытается растянуться, оно пухнет, пухнет, становится более тяжелым, и в результате распадается это все на частицы. Кварк просто так из этого не может выбраться — это одно из проявлений необычности глюонных сил.

На самом деле, дальше будет еще интересней. Благодаря этому получается так, что — помните принцип комбинирования, который прекрасно работал в атомных ядрах? он работал в атомах и молекулах — так вот, он вообще не работает в протоне. Как это выглядит? Давайте представим, например, по аналогии с атомным ядром. Пусть есть протон, который из кварков состоит. Давайте присобачим к нему еще несколько кварков — 9, 12, сколько-нибудь. Хотим получить какой-нибудь один большой и толстый мега-протон. Это экспериментально можно попытаться сделать — на самом деле, сложностей никаких нет. Эксперименты проводились, и что получается? Получается, эти дополнительные кварки не хотят лезть внутрь. Мы пытаемся их засунуть, а они не хотят лезть — они хотят обособиться. Вот это вот сложный переход, который физики до конца сейчас не понимают. В деталях это, конечно, как-то вычисляется, теоретически или численно, но такой общей понятной картинки, к сожалению, пока нет. Но результат такой получается, что объединить много кварков вместе не удается.

Казалось бы, ладно — нет, так нет, попытаемся изучать, что есть. Начинаем изучать частицы и вдруг видим, что на самом деле-то есть тяжелые аналоги протона. Вот есть протон, а есть другие частицы — несколько из них я здесь перечислил, которые экспериментально открыты, экспериментально изучены — они все очень похожи на протон. Их около десятка; может быть, почти два десятка сейчас открыто. И, что самое интересное, у них большая масса. То есть есть несколько частиц с разной массой — она все увеличивается, увеличивается...

Ученые заинтересовались — как так? Из чего тогда эти частицы состоят? Провели эксперименты и выяснили, что все они состоят из тех же трех кварков. И там есть три кварка, и там есть три кварка. Эти кварки все одинаковы. На самом деле, я не сказал — у кварков есть свои имена, несколько разных сортов, но все это зоология — это классификация кварков, которая многое про них не говорит. Вот что действительно интересно — это их жизнь: как они друг с другом связаны, взаимодействуют — то, что я рассказываю. Классификацию вы можете прочитать где-нибудь, это все не суть важно.

Так вот, что оказывается? Оказывается, в этих частицах кварков тоже три, но отличие заключается в том, что они сидят по-другому. Они расположены в какой-то хитрой форме относительно друг друга, и немножко по-другому двигаются. Если вдуматься, это тоже очень необычная вещь, потому что, ну смотрите, в обычной повседневной жизни, если вы возьмете и переставите части, например, кубика Рубика, то ничего из него нового — какого-нибудь более тяжелого объекта — вы не получите. А здесь получается именно так: если вы как-то переставляете кварки, то в результате глюонное облако пухнет, а поскольку оно тоже весит, масса получается больше. То есть принцип комбинирования полностью нарушается, но тем не менее существуют более тяжелые аналоги протонов.

Я даже не знаю, какой из обычной жизни пример привести, чтобы вы почувствовали, насколько это... (Из зала: «Чайник с водой».) Хмм.... Ну, хорошо, давайте я расскажу, чем глюонное облако отличается, например, от воды, да и вообще от чего угодно. Понимаете, в этом глюонном облаке нет фиксированного количества частиц, нет закона сохранения «вещества облака». Если взять и внаглую кусок этого облака вытащить — такое тоже можно экспериментально сделать, — то его там не убудет вовсе. Если взять и вытащить половину облака, оно снова там нарастет, потому что кварки не могут без этого — кварки эти силы распространяют в разные стороны, и эти силы потом материализуются. Вот это очень важно прочувствовать, что это не просто какое-то облако вещества, а самовосстанавливающаяся структура, которая весит, которая действует сама на себя.

Вопрос: А за счет чего она восстанавливается?

Это можно описать примерно так. Давайте я за две минутки это скажу. Вот есть силы, которые вы знаете, — электромагнитные силы. Это силы притяжения между электрическими зарядами. И в каком-то смысле их можно представлять как обмен частицами — эти частицы называются «фотоны». Самое главное, что фотоны друг с другом не взаимодействуют. Если, скажем, где-то есть сколько-то фотонов, и туда добавить еще побольше фотонов, то на тех, на предыдущих фотонах это вообще никак не скажется. Это называется «принцип суперпозиции», в электростатике, например. Электрические и магнитные поля просто складываются, и все. А вот с глюонными полями такое дело не проходит. Если вы увеличите концентрацию глюонов, то у них появляется тенденция порождать еще больше глюонов. Каждый глюон может порождать еще глюоны, они могут рекомбинировать, сталкиваться. В результате, если в облаке станет слишком мало глюонов (например, возьмете облако — и половинку облака уберете), то оставшиеся глюоны испустят новые, и они рассядутся вокруг протона так, чтобы всё было стабильно, стационарно. Это такое свойство, которое люди раньше вообще не знали.

Так вот. Здесь не работает ни принцип комбинирования, ни даже нормальная точка зрения на то, откуда берется масса. Обычно масса складывается из массы каких-то кирпичиков. Если у нас есть три кирпича, то суммарная масса кучки из трех кирпичей будет равна утроенной массе одного кирпича. В ядерной физике, когда протоны и нейтроны соединяются вместе, там тоже масса ядра примерно пропорциональна количеству нуклонов, только там небольшая есть энергия связи. А внутри протонов всё абсолютно другое.

На самом деле, физики посчитали — сверили теоретические расчеты с экспериментальными данными — и вычислили массу тех кварков, которые там сидят, этих маленьких компактных объектов. И выяснилось, что масса их составляет примерно 2% — всего лишь! — от массы всего протона, представляете? Вы только представьте: вот есть человек, масса у него — 60 кг, и лишь 1 кг в нем — собственно материя: всякие электрончики, кварки — то есть то, что мы, собственно, называем материей. А остальные 59 — это глюонные облака, которые аккуратненько сидят в каждом протончике и нейтрончике и весят, весят, и притягивают к земле, и дают инерцию телу. Это представить себе просто интересно.

Про эти частицы я еще хотел сказать следующее. Здесь получается, что разное расположение кварков относительно друг друга как будто порождает дополнительную массу, по-новому перерождает частицу. Из того, что мне приходит на ум, я могу вам предложить подумать про них как про роботов-трансформеров — знаете, в мультиках такие есть. Вот они переставились, перекрутились как-то, и получилось что-то совсем новое, и на вид вроде бы даже больше получилось. Здесь нечто похожее получается, только это не какой-то вымышленный робот-трансформер, а это то, что действительно в нашем мире существует, в каждом из нас. В каждой молекуле, атоме всё это реализуется. Получается — и это важное утверждение, — что практически вся масса — по крайней мере 90 с лишним процентов — в каждом протоне, да и вообще в теле, состоит из глюонного облака. Глюонное облако придает инерцию.

Самих физиков всё это немножко удивило, озадачило, когда они это открыли. Надо сказать, что это не было так вот резко открыто — это постепенно прояснялось, были разные эксперименты, численные расчеты, были какие-то простые модели. Сначала они немножко не согласовывались друг с другом, потом начали постепенно наводить мосты между ними, и всё это постепенно пришло к пониманию. И физики подумали: раз такая картинка, может быть, ее надо экспериментально проверить? Это глюонное облако, потому что кварки — ну, это понятно, частички какие-то. А вот глюонное облако — это нечто новое. И вот они задумались: как же можно вот эти свойства глюонного облака изучать?

Вообще, как я уже говорил, их изучают так: берут и сталкивают частицы, при этом они разлетаются, может рождаться что-то новое, есть детекторы, которые всё улавливают, восстанавливают. Так вот, этот способ прекрасно работает, если вы хотите узнать, например, какая энергия сидит вот в этих кварках. Именно в кварках, потому что они несут основную часть энергии. Но, к сожалению, это не помогает узнать про структуру облака. Ведь это не просто какая-то плотность глюонов — это новая структура, которая как будто сама сконденсировалась и возникла. Я еще раз повторяю — это очень интересный объект. Это облако надо исследовать каким-нибудь другим способом.

И вот физики придумали способ: надо тоже сталкивать частицы, тоже с большой скоростью, с большой энергией, но надо обращать внимание не на столкновения лоб в лоб, когда рождается куча всего, а на столкновения, когда они чуть-чуть задевают друг друга — так вот проходят, пролетают и чиркают друг друга слегка. Тогда вот эти кварки, которые здесь летят, не чувствуют этого столкновения — подумаешь, пролетели и пролетели. Но вот облака, которые чуть-чуть задевают друг друга, — что-то с ними-то хитрое в этот момент и происходит. Их можно представить как ошмёток пены. Вот летят два куска пены, и в момент, когда они касаются друг друга, между ними проскакивает кусочек пены.

Вот этот объект, который здесь проскакивает — он называется «померон». Это очень хитрый объект, и на самом деле прямо сейчас его физики изучают. То есть, буквально, если сейчас поехать на конференцию — там, наверное, половина докладов будет об экспериментальном или теоретическом изучении померона. Я еще раз хочу подчеркнуть, что этот объект — это не просто какая-то частица взяла и обменялась, типа фотона. Это очень хитрый объект: он динамически возникает, и он не похож на просто частицу.

Лет десять назад — сейчас-то уже успокоились — люди на конференциях буквально ругались друг с другом, потому что у них у всех были разные модели померонов. Есть простые модели, есть сложные модели, и они почему-то друг с другом не сходились. Ну, на самом деле, некоторые модели еще были довольно корявые. Но тем не менее. Это был такой период, когда люди не знали, что такое померон — вообще. И пытались разными способами разобраться в этом деле. До рукоприкладства не доходило, но, по крайней мере, друг с другом ругались люди. Сейчас тоже ругаются, но уже по другим поводам — про померон уже не ругаются, наверное, потому что поняли, что уже бесполезно. Есть эксперименты, особенно в последние 10 лет. Вот в Гамбурге был эксперимент, который очень хорошо изучил свойства померона, и теперь хоть немножко про него понятно.

Так вот, померон — это и есть тот объект, который появляется, когда мы пытаемся вытащить кусочек глюонного облака из протона. Этот объект надо куда-то девать. Например, он может перепрыгнуть с одной частицы на другую. В процессе перепрыгивания он существует сам по себе. Вы видите: он там не зацеплен ни за какие кварки, а как будто локализован в пространстве, как будто сам по себе живет. И есть даже предположения, что он может отдельно жить. Если по протону стукнуть, то при определенных условиях померон может вырваться, отлететь и какое-то время пожить там сам по себе, без каких-либо кварков. Это вообще даже интересно себе представить.

То есть то, что раньше было просто силой, теперь оно материализовалось и даже оторвалось от своих родительских кварков и сидит в пространстве. Такие объекты люди уже давно ищут, но, к сожалению, не нашли. Называются они «глюболы» — от слов «glue» и «ball», то есть «кусочек клея». «Глюоны» — это от слова «клей», который как будто склеивает эти кварки. То есть, в принципе, возможно существование отдельно этого кусочка глюонного поля, но, к сожалению, экспериментально его пока не нашли. Может быть, этого и нет, а может, есть — непонятно, надо изучать.

Ну, физики, конечно, всё это придумали — особенно теоретики — и говорят: вот классно, теперь можно исследовать померон таким способом. Но экспериментаторам, на самом деле, очень непросто. Потому что когда два протона пролетают, слегка чиркая друг по другу, то между ними нет никакого сильного столкновения. Протон совсем чуть-чуть отклоняется — меньше чем на градус.

Вопрос: Когда два протона проходят, кварки — они ведь тоже обладают массой, да? — между собой тоже будут взаимодействовать?

Да, давайте я еще раз повторю. Когда вы сталкиваете друг с другом протоны, вы, на самом деле, даже не можете контролировать их столкновение — как столкнутся, так столкнутся. То есть у вас при этом может получиться что угодно. Может получиться жесткое столкновение лоб в лоб, когда один кварк сталкивается с другим; они разлетаются, и получается что-то невообразимое. Есть столкновения, когда два кварка из одного протона и два кварка из другого протона независимо сталкиваются — такое тоже может быть. И обычно так и происходит — это называется «жесткие столкновения», когда рождается куча всего при большой энергии. Но в этих столкновениях не изучишь померон — вот этот кусочек облака, его трудно изучить. Поэтому физики делают так: они сталкивают всё подряд. Вот на этом коллайдере протоны будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду в течение нескольких лет. Они наберут все эти столкновения, а потом будут выискивать из них те, которые, например, такого вот типа или другого типа.

То есть, на самом деле, и кварки взаимодействуют — всё взаимодействует. Получается всякое разнообразие при этом, но потом, когда физики пытаются разобраться, они вытаскивают именно то, что им надо.

Вопрос: Как вообще смогли увидеть все эти кварки, глюонные облака и так далее? Это как-то экспериментально доказано?

Да. Вот есть такой эксперимент Резерфорда, в 1905 году. Тогда атомы открыли, но еще не знали их структуру — просто знали, что там есть электроны в каком-то виде. Так вот, он сделал такой эксперимент.

Он брал одни частицы — альфа-частицы — и пускал их по атому. У него была такая тоненькая золотая фольга, он прямо на эту фольгу пускал частицы и смотрел, на какой угол они отклоняются. Так вот, классической-то физике мы верим, а тогда была классическая физика; эта классическая физика предсказывает тот закон, по которому будут частицы отклоняться за счет электрического притяжения или отталкивания, когда они пролетают друг мимо друга. Этот закон четко предсказывает, какая будет картина рассеяния (это называется рассеяние — когда частицы отклоняются в разные стороны) в зависимости от конкретной модели атома, в зависимости от конкретного устройства. Например, если атом «рыхлый», то они будут лететь в основном вперед и отклоняться на маленький угол. Если же атом, как вот оказалось, имеет очень маленькое и компактное ядро в центре, то картина будет совсем другая. То есть то, что экспериментаторы видят, — они видят, на какой угол разлетелись частицы, и после этого, пользуясь законами классической электродинамики, восстанавливают структуру этого атома.

С точки зрения эксперимента, в протоне почти то же самое. Единственное — что там, конечно, формулы сложнее. Но конкретно кварки лучше всего увидеть таким способом: если вы сталкиваете два протона, то, в зависимости от энергии, у вас получаются разные картины. Если энергия протонов небольшая, то протоны просто разлетаются, и всё. Если энергии чуть-чуть больше — скажем, если скорость близка к скорости света, но не сильно близка, — то в результате получается так, что у вас может рождаться пара частиц. Это всё исследовалось, но этим способом структуру протона определить сложно. Можно определить его свойства и как они друг с другом взаимодействуют. Для того, чтобы увидеть маленькую структуру, надо разгонять частицы всё сильнее и сильнее, просто потому, что, как в микроскопе, при этом становятся видны всё более мелкие расстояния.

Когда сталкиваешь друг с другом частицы — ну вот протоны — с энергией, которая в 50-100 раз превышает их энергию покоя, то получается, что эти кварки могут столкнуться и резко разлететься. Когда они разлетаются, в результате получается струя. Эта струя — поток частиц, который идет примерно в направлении исходных кварков. То есть летят кварки, стукаются, разлетаются, и в результате в эксперименте мы видим поток частиц в эту сторону, поток частиц в эту сторону. Никакими иными способами, кроме как предположением о том, что там есть компактный маленький объект, который очень близко подошел и очень сильно оттолкнулся, мы не можем это описать. То есть, может быть, некоторые люди могут всю физику полностью переписать, но, к сожалению, пока такой иной теории нет.

Но есть и другие разнообразные способы, как определить наличие кварков в протоне. Например, если протон неподвижный, то у него есть статические свойства, то есть свойства неподвижного протона — ну, масса, это понятно; у него может быть спин, спин — это квантовая такая вещь; у него есть магнитный момент. У него есть несколько характеристик, которые можно экспериментально измерить с высокой точностью, причем не только в протоне, но и в других частицах такого типа. Оказывается, что если применить эту простую кварковую модель к неподвижному протону, то вроде получается очень похоже на то, что в реальности мы и наблюдаем.

Ну есть еще и третий и четвертый тип экспериментов и так далее...

На самом деле, эти кварки — здесь, конечно, всё тонко, потому что кварки, которые находятся в неподвижном протоне — это одни кварки, а кварки, которые находятся в быстродвижущемся протоне, они уже совсем другие объекты. Это все очень непросто, но вы не обращайте на это внимания. Просто поверьте, что на самом деле из разных экспериментов складывается такая картина, что есть компактные частички, которые связаны разными силами. И это всё погружено в глюонное облако. Какой-то другой картины, которая так же хорошо описывает экспериментальные данные, которых очень много, к сожалению, нету. К сожалению — потому что было бы интересно, если бы получилась совсем другая картина, которая так же хорошо описывала бы это дело.

Вопрос: Протон издалека виден как магнитный момент и электрический заряд. Если подобраться очень близко, то, может быть, эти кварки, которые его составляют, тоже имеют свои собственные магнитные моменты? Издалека эта структура похожа на баклажан, а если посмотреть ближе, они кажутся покрытыми иголками, как кактус.

Фактически это переформулировка того, что я сказал. Есть протон, который мы раньше видели как протон, какая-то частица в ядре, а потом, когда эксперименты провели и заглянули внутрь, то увидели какую-то тонкую структуру. Следующий вопрос — есть ли у кварка тонкая структура? Эксперименты на самых высоких энергиях пока что говорят, что не видно этой структуры. Может быть, она есть, но пока не видно. Ну а теоретики, конечно, горазды на выдумки, они уже кучу моделей придумали.

Недавно я видел одну статью — там дальше будет частица такая, бозон Хиггса, интересная частица, про нее все говорят — так вот, нормальная научная статья, но она не совсем обычная: там нет ничего своего. Это статья, в которой просто перечислены 200 ссылок на разнообразные исследовательские группы, которые предсказывали такую массу, такую массу, такую... В результате получается, что не важно, какую откроют — что-нибудь уже будет. То есть теоретики придумают сотню моделей с разной степенью правильности. Окончательный ответ, конечно, за экспериментом.

Самовозникающие явления

«Самовозникающие явления — явления, которые не были заложены изначально, а возникли сами собой. Встречаются повсюду в физике. Жутко интересное явление!»

Вот эту часть я закончил, но сейчас я хочу сделать небольшую паузу, небольшое такое отступление. Мне кажется, что полезно сейчас рассказать про то явление возникновения массы как будто бы из ничего в широком контексте. Потому что это довольно простая вещь, но очень важная в физике. По-моему, это одно из главных открытий в теоретической физике. Открытие заключается в том, что существуют явления, которые могут возникать сами по себе, их не надо изначально закладывать в какие-то детальки, кирпичики и формулы. Они сами по себе возникнут именно в той форме, в которой мы видим их в природе. Это поразительнейшая вещь. То, что я до этого рассказывал, — это фактически масса (ну, протона, например), которая возникала на 90% спонтанно, сама по себе. Такого типа самовозникающие явления встречаются в физике повсюду.

Давайте возьмем пример из совсем другой области. Вот есть такое явление — сверхпроводимость. Может быть, вы даже знаете. Сверхпроводимость — это когда какое-нибудь тело полностью теряет электрическое сопротивление, ток через него может течь без всякого сопротивления вообще. Если сверхпроводник замкнуть в круг и пустить через него ток, без всякого напряжения, то он будет крутиться часами, днями, годами — такие эксперименты делались. Он не затухает, крутится, крутится... Это называется сверхпроводимость. Явление это, конечно, замечательное, и физики попытались разобраться, как оно возникает.

Если совсем наивно подходить к пониманию природы, то можно сказать: раз это явление есть в таком вот веществе, давайте разделим его на атомы и покопаемся в каждом атоме или каждой молекуле, попытаемся найти происхождение — что-нибудь такое, что дает ему сверхпроводимость. Вы, конечно, можете это сделать: распилить на атомы, распылить его, изучить отдельные атомы — теоретически, экспериментально, как угодно. И вы там ничего не увидите! Там не будет ни малейшего намека на сверхпроводимость, потому что сверхпроводимость ничего — почти ничего — не знает про атомы, а атомы ничего — почти ничего — не знают про сверхпроводимость.

Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и всё. Если два, три атома — то же самое. Ну, получится какая-нибудь там молекула маленькая. Если взять много атомов, то вдруг оно возникает. Ну, конечно, не вдруг, не скачком — оно плавно проступает, оно как будто цветок из бутона поднимается, когда вы много-много атомов берете. Но такие явления возникают сами по себе, просто из-за того, что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.

Я вам историю расскажу. Я в детстве — компьютерных игр у меня тогда не было — любил фантазировать. Я себе придумывал всякие виртуальные миры, и поскольку компьютеров не было, я их рисовал. Придумал планету и решил: пусть будут на ней животные, нарисовал зоологию этой планеты. Потом дальше придумал: пусть на ней будет своя химия. Это, конечно, глупость, потому что мы понимаем, что химия во всей Вселенной одинакова, а химические элементы — они везде одинаковы. Но захотелось пофантазировать, и я нарисовал периодическую систему элементов имени Иванова и просто населял ее новыми элементами. Я смотрел на окружающий мир и думал: что бы такого придумать? Решил, что, например, элементы такого-то ряда будут магнитные. То есть я решил, что внутри атома будет такой маленький магнитик, специальный, который приводит к магнетизму, если создать вещество из этого элемента.

Это тоже очень наивный взгляд на вещи, потому что он ориентируется на то, что если есть магнетизм (точнее, в физике это называется «ферромагнетизм» — то, что магнит притягивает металлические штуки), то он должен оставаться, даже если мы распилим его на отдельные атомы. То есть если, буквально, взять отдельные атомы, то железо, которое, как мы знаем, ферромагнитное, должно чем-то таким отличаться от всех, раз оно обладает таким сильным магнетизмом.

На самом-то деле магнетизм — ферромагнетизм — уже давно исследован, и получается, что ферромагнетизм в железе возникает именно из-за взаимодействия. Ничего такого особого, специфического в атомах железа — именно в атомах — нету. Всё это возникает после того, как вы много этих атомов поставите и учтете, как они взаимодействуют друг с другом, — вот там-то самая хитрость получается — и возьмете большой объемчик, и вот тогда-то проступит постепенно отличие между железом и остальными элементами. Конечно, есть и другие вещества, которые магнитят, но железо — самое известное.

Я еще хочу сказать, что эта вещь возникает не только в физике, разных ее областях. В математике есть самовозникающие явления, в экономике есть самовозникающие явления, даже в биологии они есть. При желании многое можно интерпретировать как самовозникающее явление — явление, которое возникает из-за взаимодействия.

На самом деле, это жутко интересно, потому что вот как физик-теоретик реально работает с этим? Когда он хочет исследовать какой-нибудь объект, он что-то знает про него — например, когда он исследует вещество, то знает, что вещество состоит из атомов. Он пишет уравнения: есть атомы и силы взаимодействия между ними — это как бы начальные данные. Это очень просто и в них ничего не видно. А вот потом он пытается эти уравнения решать. Как в школе, только эти уравнения решать очень сложно, поскольку они друг с другом сильно перепутаны. Но тем не менее пытаемся решать. И когда мы начинаем их решать, какие-то формулы появляются, и вот там это всё вдруг проступает. И вот это — очень завораживающее зрелище, потому что вы ничего изначально не закладывали, но какое-то явление, которое вы видите в нашем мире, вдруг само по себе рождается из формул. Это очень впечатляет, когда это всё видишь реально.

Хиггсовское поле

«Еще один источник массы: Всю Вселенную заполняет невидимое хиггсовское поле. Частицы «цепляются» за него и становятся массивными. На коллайдере LHC изучат, как именно возникает это поле».

Тот источник массы, про который я говорил, — масса протона — на самом деле только один из возможных. Реально в природе действуют по крайней мере два — может быть, больше, мы не знаем. Второй источник массы дает массу легким частичкам типа электронов, кварков и т. д. И это совсем другой механизм, и теория, которая его описывает, тоже совсем другая. Эту теорию до конца еще не проверили, но многие ее предсказания уже сбылись, и ее будут очень активно исследовать на этом большом, огромном коллайдере, этом большом эксперименте.

Вкратце теория такая. На самом деле, там много деталей, теорем строго математических, но основное утверждение такие. Изначально все частицы — кварки, электроны и так далее — были абсолютно безмассовые. Это значит, что вот, например, летит рой электронов, на него подействовала небольшая сила, и он улетел куда-то вбок. То есть это частицы, у которых нет практически никакой инертности, они легко под действием маленьких сил улетают куда-то вбок. Потом, в силу какого-то механизма, каких-то особенностей — это всё тоже изучается — всю Вселенную заполняет некое невидимое хиггсовское поле. «Хиггсовское» — от фамилии английского ученого Питера Хиггса, который придумал эту вещь, английский ученый, в честь него это всё и называется.

Это поле равномерно заполняет всю Вселенную, его не видно, потому что все частицы движутся сквозь него. Но, когда они движутся сквозь него, они за него немножко цепляются. Это сложно представить себе, но вот поверьте, в некотором смысле они за него цепляются. Это значит, что поле не дает частицам слишком быстро разгоняться. Пролетели частицы, на них подействовали какой-нибудь силой, они попытались отлететь, но поле им мешает. В результате они, конечно, отлетают, но как-то неохотно, как будто у них появилась дополнительная инертность, как будто им просто не хочется двигаться. В результате в формулах это выглядит так, будто у них появилась масса. Это совсем другой тип появления массы. Здесь нет никакой исходной энергии, которая как бы конденсировалась. Есть просто движение сквозь некоторую среду, которую мы не видим, но эта среда сказывается, а именно, она придает массу этим частицам.

В этом механизме есть много деталей, я их не буду рассказывать, но хочу, чтобы вы прочувствовали этот механизм. Для этого я расскажу аналогию, которую вы можете даже дома провести, просто реальный эксперимент. Возьмите кусок пенопласта и покрошите его. Когда он крошится на мелкие кусочки, получаются маленькие пенопластовые шарики. Он очень легкие. Вы можете их накрошить на стол и подуть на них — они разлетятся. Это аналогия безмассовых частиц — то есть частиц, у которых очень маленькая инертность.

Теперь аккуратно налейте на стол воды и покрошите сверху пенопласт. Подождите, чтобы он немного промок, и снова слегка подуйте на него. Вы увидите, что шарики отплывают, но как-то уже неохотно. Если бы мы не видели эту воду, нам бы казалось, что у них появилась какая-то странная инертность, которой раньше не было. Эта инертность возникает из-за того, что им при движении приходится продираться сквозь среду. В данном случае — сквозь воду, а в реальности — сквозь хиггсовское поле.

Вопрос: Откуда вообще берется хиггсовское поле?

Вот это сложная вещь, на самом деле, — откуда оно берется. Когда вы конструируете модели микромира, то вы вводите вещи, которые пока что непонятно — берутся они откуда-нибудь или не берутся. Потом это может выясниться. Скажем, может выясниться, что оно берется действительно неизбежно из какой-то более глубокой теории. Были примеры в истории физики в свое время, когда что-то постулировали, а потом выводили это из более глубокой теории. Как будет с хиггсовским полем, пока не понятно. Я подчеркну, что это еще не доказано. То есть эта теория, которая уже считается общепринятой, по косвенным проявлениям вроде бы работает, но для того, чтобы ее окончательно доказать, надо провести эксперимент на Большом адронном коллайдере и найти эту частицу — бозон Хиггса, ту частицу, за которую люди хотят получить Нобелевскую премию (и, скорее всего, получат).

Вопрос: Получается, что при прохождении через хиггсовское поле частицы не теряют энергию?

Важно понимать отличие между хиггсовским полем и моей аналогией с водой: хиггсовское поле мешает ускоряться, а вода мешает двигаться. Через хиггсовское поле можно спокойно лететь с постоянной скоростью, и оно не будет мешать; оно мешает ускоряться. Действительно, есть такие примеры из обычной жизни, когда возникает какая-то сила, которая мешает ускоряться.

Разные частицы цепляются за это хиггсовское поле по-разному: некоторые сильнее, некоторые слабее. Некоторые частицы вообще не цепляются. Например, электромагнитные волны и свет не цепляются, поэтому они получаются без массы. Те частицы, которые цепляются очень сильно, становятся очень массивными.

Вопрос: Хотелось бы уточнить: хиггсовское поле — это единственное, что наделяет частицы массивностью и инертностью, или есть другие причины этого?

Я уже сказал, что это второй механизм, а был еще первый, по которому протоны становились массивными. Тот факт, что протоны становились массивными, никак не связан с хиггсовским полем. Можно представить себе мир, в котором вообще не было бы хиггсовского поля. Тогда бы электроны были безмассовые, кварки были бы безмассовые, а протоны были бы так же массивны, как они в нашем мире весят, потому что это совсем другой механизм.

Первый механизм описывается конденсированием глюонного облака. Довольно сложно математически, но суть примерно такая. Здесь описывается как некоторое поле, сквозь которое приходится продираться. Есть еще и другие механизмы — скорее всего, есть, но я уж не буду про них говорить.

Вопрос: Получается, есть два механизма возникновения массы. Хиггсовское поле действует на глюонное облако?

Хиггсовское поле непосредственно на глюоны не действует. Но это надо говорить аккуратно, потому что оно не действует на глюоны как частицы, но оно действует на конденсат. Это непросто. Там много тонкостей, но, проще говоря, непосредственно на глюонное поле оно не действует. И тем не менее, за счет виртуальных поправок оно с ним связано.

Вопрос: Я думаю, можно объяснить через хиггсовское поле скорость света. Раз хиггсовское поле обеспечивает массу телу, то получается, что его энергия, деленная на скорость света, есть масса? Должно быть какое-то воздействие хиггсовского поля на свет, иначе он не обладал бы энергией.

Эти вещи не связаны. Есть такой термин из истории физики — эфир. «Светоносный эфир». Это некая постулированная среда, колебания которой являются электромагнитными волнами. Так считали более ста лет назад. На самом деле, сейчас считается, что этот эфир совершенно не обязателен, современная теория электромагнитных явлений обходится без него.

Хиггсовское поле может показаться немного похожим на эфир, потому что оно тоже пронизывает всю вселенную. На самом деле, оно не обладает свойствами, которые нужны для эфира. Оно, например, совершенно не воздействует на фотоны. Фотоны просто проходят и проходят, им наплевать. И это можно легко понять, ну, не то, чтобы понять — это просто экспериментальный факт. Тот факт, что мы видим очень далекие квазары, свет от которых шел к нам 10 миллиардов лет, означает, что с фотонами за это время ничего не случилось. Иначе они бы как-то распределились, размазались, а мы видим четкое изображение этих квазаров. А в течение всего этого времени свет действительно идет через хиггсовское поле. Ну, если, конечно, эта теория верна — а она на 99% верна.

То есть, на самом деле, это два разных явления — электромагнитные волны и хиггсовское поле, — которые не связаны друг с другом.