Более 60 лет назад профессор Питер Уэр Хиггс предложил теорию, в которой за формирование массы у лептонов и кварков отвечает бозон, который назвал своим именем - бозон Хиггса. А не так давно, 4 июля 2012 года было официально объявлено об обнаружении бозона Хиггса, сделанном на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Иными словами, найдена фундаментальная причина, отвечающая за гравитацию у тел. В связи с этим, Хиггсу была присуждена Нобелевская премия по физике 2013 года.
Но задолго до этого, 25 ноября 1915 года на заседании Прусской академии наук в Берлине Альберт Эйнштейн представил общую теорию относительности (ОТО), выводом из которой является информация, что гравитация у тел – это искривление пространства-времени вокруг них.
Почему ученые не согласились с выводами Эйнштейна и продолжили искать иные модели гравитации и в чем парадоксы и противоречия у этих теорий – предлагаю разобраться.
Парадоксы гравитационного взаимодействия: Эйнштейн против Хиггса
Две главные физические теории XX века - Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна и Стандартная модель (включающая механизм Хиггса) - описывают устройство Вселенной. Первая объясняет гравитацию и крупномасштабные структуры, вторая - поведение элементарных частиц. Однако на стыке этих теорий возникает несколько парадоксов, которые до сих пор не дают покоя физикам-теоретикам.
1. Парадокс природы массы. «Всего лишь искривление» против «невидимого поля»
С точки зрения Эйнштейна, масса - это источник гравитации. Массивное тело искривляет ткань пространства-времени, и мы воспринимаем это искривление как силу тяжести. Чем больше масса, тем сильнее искривление.
Модель Хиггса, напротив, утверждает, что масса элементарных частиц - это не внутреннее свойство, а результат взаимодействия с полем Хиггса. Частица «вязнет» в этом поле, подобно тому, как человек замедляется в толпе, обретая инертность.
Появляется парадокс: почему инертность, созданная полем Хиггса (квантовая природа), так идеально подчиняется геометрическому правилу Эйнштейна (гравитационная масса)? Ни одна теория не объясняет, почему гравитационная и инертная массы эквивалентны с точки зрения двух столь разных механизмов. Это похоже на то, как если бы два совершенно независимых художника написали одну и ту же картину с точностью до мазка.
2. Парадокс вакуума. Самая большая ошибка Эйнштейна
Эйнштейн ввел в уравнения космологическую постоянную (Λ), чтобы «уравновесить» гравитацию и получить статичную Вселенную, а позже назвал это своей самой большой ошибкой. Однако квантовая теория поля предсказывает энергию вакуума, которая по сути является аналогом этой постоянной.
Хиггсовское поле создает ненулевое среднее значение в вакууме - конденсат Хиггса. Теория относительности утверждает, что любая энергия должна гравитировать. Следовательно, конденсат Хиггса тоже должен создавать колоссальное гравитационное поле.
Предсказанная энергия вакуума на основе квантовой теории (включая вклад бозона Хиггса) примерно в 10 в 120 степени раз превышает наблюдаемую космологическую постоянную. Это самое большое расхождение между предсказанием и экспериментом в истории науки. Гравитация «не замечает» гигантскую энергию конденсата Хиггса. Куда она исчезает? Это называют проблемой космологической постоянной.
3. Парадокс гравитационного радиуса бозона Хиггса
Бозон Хиггса - квант поля Хиггса с массой около 125 ГэВ/с². С точки зрения ОТО, любая частица с такой массой имеет соответствующий гравитационный радиус (радиус Шварцшильда). Для бозона Хиггса он составляет около 10 в -50 степени метра - это планковские расстояния.
Парадокс в следующем: на расстояниях порядка планковской длины 10 в -35 степени метра обе теории теряют предсказательную силу. ОТО требует сингулярности, а квантовая механика - принципа неопределенности. Получается, что сам механизм, дающий массу частицам, на фундаментальном уровне запрещает гравитации быть классической. Бозон Хиггса оказывается частицей, которая «чувствует» гравитацию только на тех масштабах, где гравитация перестает работать.
4. Парадокс времени. Гравитация замедляет время, а модель Хиггса его «перезагружает»
ОТО предсказывает замедление времени в гравитационных полях. Чем ближе к массивному объекту, тем медленнее течет время. Напротив, в ранней Вселенной механизм Хиггса связан с фазовым переходом - моментом, когда поле Хиггса «выключено» при сверхвысоких энергиях и внезапно включается.
Парадокс: во время электрослабого фазового перехода (первые доли наносекунды после Большого взрыва) все частицы были безмассовыми и двигались со скоростью света. В безмассовом мире гравитация выглядит иначе (нет выделенной системы отсчета, связанной с массивным телом). Как происходит переход от «режима без времени» (скорость света) к «режиму гравитационного времени»? ОТО и механизм Хиггса дают разные ответы на вопрос.
5. Парадокс темной материи и скалярного поля
Механизм Хиггса ввел в физику скалярное поле (поле, имеющее не только величину, но и направление). Гравитация Эйнштейна прекрасно работает с тензорами (многомерный массив чисел с определёнными свойствами преобразования при смене системы координат). Однако некоторые модификации ОТО предполагают существование скалярных полей, которые могли бы объяснить темную материю или темную энергию.
Парадокс: единственное экспериментально подтвержденное фундаментальное скалярное поле - это поле Хиггса. Однако все попытки связать поле Хиггса с темной материей провалились: его свойства слишком точно измерены, чтобы создавать недостающую гравитацию галактик. Получается, что существует «модель» скалярного поля для массы частиц, но для гравитации использует что-то совершенно иное (или ничего не использует, кроме геометрии искривления пространства-времени по Эйнштейну).
Парадоксы на стыке гравитации Эйнштейна и теории Хиггса - это не просто любопытные головоломки. Это симптомы того, что обе теории являются лишь приближениями более глубокой, пока неизвестной теории квантовой гравитации.
Любая серьезная попытка объединить их (теория струн, петлевая квантовая гравитация, теория суперполя) наталкивается на необходимость пересмотреть либо природу пространства-времени, либо механизм возникновения массы. Пока же мы живем в удивительном мире, где масса частицы рождается в поле Хиггса, а гравитация делает вид, что этого поля не существует, искривляя ткань реальности по законам Эйнштейна.
Разрешение этих парадоксов - ключ к созданию «Теории всего». И, возможно, ответ лежит в ответе на вопрос: а не является ли само поле Хиггса лишь проекцией гравитации, происхождение которой в дополнительных измерениях? Но это уже отдельная тема.