Анна  Приткова

 

Мы продолжаем разговор о творении мира и материи. Согласно данным астрономов вся видимая материя звезд и галактик составляет от общей массы Вселенной всего 4%, в 250 раз меньше, чем должно быть, остальная масса Вселенной, 96 %, приходится на неопознанную энергию и материю, которую в ученых кругах принято называть темной.

Некоторые называют неопознанное — эфиром, другие вакуумом трех состояний. Как может быть вакуум трех состояний, если это ничто, пустота?
Тем не менее, существует и такое определение.

Стабильно ли состояние вакуума, в котором мы находимся сейчас, не превратится ли наш вакуум в течение развития Вселенной во что-нибудь другое — вопрос, интересующий не только физиков, но и любого из нас, ибо, если состояние вакуума не совсем стабильно, то во что этот вакуум может измениться, и каковы последствия его изменений, что станет с нами?
Ученые считают, что состояние вакуума ЗАВИСИТ ОТ МАССЫ БОЗОНА Хиггса. Очевидно, поэтому эта частица вызвала повышенный интерес у общественности. Частицу сначала придумали, затем долго искали, наконец, объявили, что нашли, и массу бозона Хиггса измерили, и оказалось, что мы живем в среднестабильной зоне.

Казалось бы, все прекрасно. Однако.

«Краеугольный камень так называемой «стандартной модели» — теоретической конструкции, описывающей взаимодействия всех элементарных частиц — бозон — самая загадочная частица, наличие которой Питер Хиггс и Франсуа Энглер предсказали в своих статьях еще в 1964 году. Получивший имя ученого бозон просто обязан был существовать, в противном случае рушилась вся стройная картина устройства материи во Вселенной.

«Именно наличие поля Хиггса обеспечило частицы их массами. Если бы не было поля Хиггса, частицы были бы безмассовые, и тогда бы вся эволюция Вселенной протекала совершенно по другому сценарию«, — пояснил ректор Московского инженерно-физического института Михаил Стриханов.

Поле Хиггса, состоящее как раз из бозонов, по предположению ученых, возникло в тот самый момент, когда большой взрыв положил начало нашему мирозданию. Оно окружает нас и сейчас. Именно проходя через него, все остальные частицы как бы замедляются, приобретая таким образом массу, а значит, и материальную сущность». (13 октября 201323:33 Дмитрий Мельников, От бозона Хиггса — к темной материи)

 «»Нам не доставало этого последнего кусочка, чтобы подтвердить и завершить стандартную модель. Потребовались тысячи экспериментов, чтобы сначала сузить круг поиска, а затем из огромного массива результатов выбрать те, что отвечают требованиям к искомой частице», — сказал Фрэнк Вильчек». (13 октября 201323:33 Дмитрий Мельников, От бозона Хиггса — к темной материи)

«Полвека — от теоретического предположения, до практического подтверждения и Нобелевской премии. Мгновение в космических масштабах. И дело-то всего в отсутствии инструментов. У человечества просто не было аппаратуры, способной смоделировать и зафиксировать то, что существует во Вселенной с момента ее рождения, а это без малого 14 миллиардов лет. Как говорят ученые, с обнаружением бозона Хиггса мозаика знаний об устройстве этого мира пополнилась одним из ключевых элементов.

А возможно это стало только благодаря Большому адронному коллайдеру — суперускорителю частиц стоимостью 10 миллиардов долларов. Грандиозный международный научный проект подтвердил свою полезность. Долгие годы ученые из ста стран раз за разом сталкивали протоны и ионы в надежде зафиксировать в этих микровзрывах следы вожделенной частицы. Наконец, летом прошлого года в ЦЕРНе объявили: проект «Атлас» увенчался успехом». (13 октября 201323:33 Дмитрий Мельников, От бозона Хиггса — к темной материи)

 «»Никто бозон Хиггса сам по себе, конечно, не видел. Его зафиксировали, поймали его след по тем частицам, которые образуются при его распаде. Тем не менее, ничем другим, кроме как бозоном Хиггса, этот след объяснить нельзя. Значит, он есть. И дальше уже можно двигаться», — отметила Елена Лозовская (главный редактор журнала «Наука и жизнь» Елена Лозовская.).

Весь многонациональный персонал ЦЕРНа с замиранием сердца ждал, когда Нобелевский комитет объявит лауреатов премии по физики за 2013 год. Чтобы доказать правильность теории Хиггса, в охоте за бозоном эти люди потратили тысячи часов и тераватты электроэнергии». (13 октября 201323:33 Дмитрий Мельников, От бозона Хиггса — к темной материи)

 И все-таки, мы попытаемся здесь же поделиться нашими сомнениями.
«Бога не видел никто никогда; Единородный Сын, сущий в недре Отчем, Он явил.
(От Иоанна 1:18)».
«Бога никто никогда не видел. Если мы любим друг друга, то Бог в нас пребывает, и любовь Его совершенна есть в нас.
(1-е Иоанна 4:12)».
Говорит Апостол Иоанн, тем не менее, сам-то он Бога видел.
«1 О том, что было от начала, что мы слышали, что видели своими очами, что рассматривали и что осязали руки наши, о Слове жизни, —
2 ибо жизнь явилась, и мы видели и свидетельствуем, и возвещаем вам сию вечную жизнь, которая была у Отца и явилась нам,—
3 о том, что мы видели и слышали, возвещаем вам, чтобы и вы имели общение с нами: а наше общение — с Отцем и Сыном Его, Иисусом Христом.
4 И сие пишем вам, чтобы радость ваша была совершенна.
(1-е Иоанна 1:1-4)».
Нас убеждают в том, что открыли то, что никто, и они в том числе, не видели.

«Хорошо, пусть будет так. Если не видели, то, очевидно, обнаружили по действиям частицу, так как в мире существует много из того, что человеку видеть не дано, но о существовании того или иного творения, человек узнает по действиям творения. Вот, и бозон Хиггса обнаружили по его действиям: частицы проходили через поле Хиггса, изменили массу, затем их ударили, и они разлетелись в разные стороны», — думаю я, и тороплюсь узнать, что  же такое выдающееся сотворила частица, что приоткрыло ее, наконец, существование.
И тут читателей ждет другой сюрприз. Оказывается и действий у бозона не заметили.
Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса отвечает за массу материи, но как он это делает, никто понятия не имеет.
И соединяет ли, еще вопрос.

Так что же открыли ученые?

На этот вопрос, отвечает Академик Валерий Рубаков, Институт ядерных исследований РАН и Московский государственный университет.

Наука и жизнь №10, 2012

Долгожданное открытие: бозон Хиггса

Академик Валерий Рубаков,

Институт ядерных исследований РАН и Московский государственный университет.

 «Четвёртого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для физики: на семинаре в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) было объявлено об открытии новой частицы, которая, как осторожно заявляют авторы открытия, по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Стандартной модели физики элементарных частиц. Его обычно называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идёт об открытии одного из главных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира(см. «Наука и жизнь» № 1, 1996 г., статья «Бозон Хиггса необходим!»).

Что было на семинаре и до него

Объявление о семинаре было сделано в конце июня, и сразу стало ясно, что будет он неординарным. Дело в том, что первые указания на существование нового бозона получили ещё в декабре 2011 года в экспериментах ATLAS и CMS, проводимых на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider) в ЦЕРНе. Кроме того, незадолго до семинара появилось сообщение, что данные экспериментов на протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США) также указывают на существование нового бозона. Всего этого было ещё недостаточно, чтобы говорить об открытии. Но с декабря количество данных, набранных на LHC, удвоилось и методы их обработки стали совершеннее. Результат оказался впечатляющим: в каждом из экспериментов ATLAS и CMS по отдельности статистическая достоверность сигнала достигла величины, которая в физике элементарных частиц считается уровнем открытия (пять стандартных отклонений).

Семинар прошёл в праздничной атмосфере. Помимо исследователей, работающих в ЦЕРНе, и студентов, занимающихся там по летним программам, его «посетили» с помощью интернета участники крупнейшей конференции по физике высоких энергий, которая как раз в этот же день открылась в Мельбурне. Семинар транслировали по интернету в научные центры и университеты всего мира, включая, конечно, Россию. После впечатляющих выступлений руководителей коллабораций CMS — Джо Инкандела и ATLAS — Фабиолы Джанотти генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер заключил: «I think we have it!» («Думаю, он у нас в руках!»).
Так что же такое «у нас в руках» и зачем его придумали теоретики? 

Минимальная версия теории микромира носит неуклюжее название Стандартной модели. Она включает все известные элементарные частицы (мы их перечислим ниже) и все известные взаимодействия между ними.Гравитационное взаимодействие стоит особняком: оно не зависит от типов элементарных частиц, а описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Бозон Хиггса оставался единственным не открытым до последнего времени элементом Стандартной модели.

Мы назвали Стандартную модель минимальной именно потому, что других элементарных частиц в ней нет». (Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).

(Выше сказано, что Стандартная модель «включает все известные элементарные частицы и все известные взаимодействия между ними», а теперь речь идет о минимальной модели, в которой «других элементарных частиц в ней нет»).

«В частности, в ней имеется один, и только один, бозон Хиггса, и он — частица элементарная, а не составная (о других возможностях речь пойдёт ниже). Большинство аспектов Стандартной модели — за исключением нового сектора, к которому принадлежит бозон Хиггса, — проверены в многочисленных экспериментах, и главная задача в программе работ LHC — выяснить, действительно ли в природе реализуется минимальный вариант теории и насколько полно она описывает микромир¹». (Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).

(1.  Стандартная модель на самом деле заведомо неполна, но это предмет отдельного разговора. Отметим только, что о её неполноте свидетельствуют данные космологии — науки о Вселенной. Проявится ли неполнота Стандартной модели при энергиях LHC — вопрос пока открытый и интригующий).

(Прошу запомнить, что  «бозон Хиггса — частица элементарная, а не составная»).

 «В ходе выполнения этой программы и была открыта новая частица, довольно тяжёлая по меркам физики микромира. В этой области науки массу измеряют в единицах энергии, имея в виду связь Е = mс² между массой и энергией покоя. Единицей энергии служит электронвольт (эВ) — энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт, и его производные — МэВ (миллион, 10⁶ эВ), ГэВ (миллиард, 10⁹ эВ), ТэВ (триллион, 1012 эВ). Масса электрона в этих единицах равна 0,5 МэВ, протона — примерно 1 ГэВ, самой тяжёлой известной элементарной частицы, t-кварка, — 173 ГэВ. Так вот, масса новой частицы составляет 125—126 ГэВ (неопределённость связана с погрешностью измерений). Назовём эту новую частицу Н».(Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса). 

(Итак,  масса новой частицы составляет 125—126 ГэВ 125-126 миллиардов электронвольт (эВ)).

«Она не имеет электрического заряда, нестабильна и может распадаться по-разному. На Большом адронном коллайдере ЦЕРНа её открыли,
изучая распады на два фотона, H → γγ и
на две пары электрон-позитрон и/или
мюон-антимюон, H → е⁺е^–е⁺е^–, H → е⁺е^–μ⁺μ^–, H → μ⁺μ^–μ⁺μ–.

Второй тип процессов записывают как H → 4ℓ, где ℓ обозначает одну из частиц е⁺, е^–, μ⁺ или μ^– (их называют лептонами).

И CMS, и ATLAS сообщают также о некотором избытке событий, который можно объяснить распадами H → 2ℓ2ν, где ν — нейтрино. Этот избыток, впрочем, пока не имеет высокой статистической достоверности». (Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).
( Стоп! Если частица элементарная, то почему она распадается, как выше сказано, она же не составная?
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ — (лат. elementarius), первоначальный, простейший, основной.

Согласно Википедии,
«Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части».  (https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A1%D0%BB%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%B0%D1%8F:%D0%A6%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B0&page=%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86%D0%B0&id=64969782 ).

 (Для богословия распад бозона важен, ибо несоставная частица распалась на два объекта. Но еще больше важна способность элементарных частиц к взаимным превращениям. Ибо мы знаем, что действия Божии в одной точке универсальны!

Следовательно, можем сделать вывод, что способность элементарных частиц к взаимным превращениям идет напрямую от благодати Бога и субпартнерам ).

 «ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ, мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц — способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 400 элементарных частиц.
Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы;
остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ с для свободного нейтрона до 10^-22 — 10^-24 с  для резонансов.
Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы». (Www.km.ru).

 (Свидетельство физиков, основанное на опыте, доказывает, что материя творится сейчас, рождается, в том числе, и в коллайдере, а не сотворена миллиарды лет назад. Вернее, созданная материя воссоздается непрерывно, и непрерывно исчезает, если бы не было воссоздания материи, то при такой огромной скорости распада частиц, мир давно бы исчез ).

«При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения». (Www.km.ru).

 «Вообще всё, что сейчас известно о новой частице, согласуется с её интерпретацией как бозона Хиггса, предсказанного простейшей версией теории элементарных частиц — Стандартной моделью.
В рамках Стандартной модели можно вычислить как вероятность рождения бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, так и вероятности его распадов и тем самым предсказать число ожидаемых событий. Предсказания хорошо подтверждаются экспериментами, но, конечно, в пределах погрешностей. Экспериментальные погрешности ещё велики, да и измеренных величин пока совсем немного.

Тем не менее, трудно сомневаться, что открыт именно бозон Хиггса или что-то очень похожее на него, особенно если учесть, что указанные распады должны быть очень редкими: на два фотона распадаются 2 из 1000 бозонов Хиггса, а на 4ℓ — 1 из 10 000.

Более чем в половине случаев бозон Хиггса должен распадаться на пару b-кварк — b-антикварк: Н → bb̃ .

Рождение пары bb̃ в протон-протонных (и протон-антипротонных) столкновениях — явление очень частое и без всякого бозона Хиггса, и выделить сигнал от него из этого «шума» (физики говорят — фона) в экспериментах на LHC пока не удалось». (Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).

 (Если эта редкость рождается, то почему ее приписывают распаду от столкновения, а не просто рождению экзотики. Может быть, следовало написать, что в очередной раз увидели очень редкие объекты, рожденные, не известно по какой причине, чем утверждать, что они родились от распада бозона Хиггса. Одно дело, когда ударили бозон, и он распался на две или больше частиц. И совсем другое, когда столкнули два пучка протонов, а затем обнаружили в куче распада нечто экзотическое и приписали эту экзотику бозону. Сталкивали-то протоны, а не бозоны. А протоны – посмотрим справку, что они из себя представляют).

«Протон (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2, (Спин не нулевой)
электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). 

В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). (А в результате столкновения получается пара bb̃. Откуда взялась пара bb̃, 4ℓ, или пара  ).

Стабилен (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·10²⁹ лет независимо от канала распада, 1,6·10³³ лет для распада в позитрон и нейтральный пион).

Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. В частности, реакции pp-цикла, который является источником почти всей энергии, излучаемой Солнцем, сводятся к соединению четырёх протонов в ядро гелия-4 с превращением двух протонов в нейтроны».
В таблице ВИКИПЕДИИ мы отметили зеленым интересующие нас явления.

 

Если посмотреть протон-протонную реакцию, то можно заметить выделение фотонов при следующем взаимодействии. То есть, в ней нет распада протонов, а идет соединение при большой температуре. Судя по процентам таблицы, это очень редкая реакция, тем не менее, она возможна в коллайдере, и более вероятна, чем распад бозона Хиггса. Пара фотонов, даже три, может получиться в результате столкновения и соединения протонов. Если внимательно посмотреть продукты реакции полученные при взаимодействии протонов, то можно обнаружить и более редкую реакцию типа пары электрон-позитрон  «е⁺е^–е⁺е^—» и/или «е⁺е^–μ⁺μ^–», мюон-антимюон – « μ⁺μ^–μ⁺μ^–» . Но они получатся не в результате распада бозона, а как ядерная реакция плюс еще что-либо случайное и редкое.

Тот же электрон плюс получается сразу, в первой цепочке реакции при соединении двух протонов, если сталкивается пучок протонов, то вполне вероятно, что соединений будет больше, и электронов выделится больше, но вместе соединенные электроны встречаются реже, так как там необходима еще одна реакция.

Если бозон Хиггса отвечает за массу, то и следует искать его в процессе действия, а не распада.

Но мне кажется, что энергию превращает в массу благодать, а не бозон. И цепочка будет проще: благодать – сотворенная энергия – масса. Достаточно. Ибо масса постоянно изменяется,  и, как следует ее изменить в соответствии с духовноматериальным требованием мгновения, бозон никогда не сообразит. Для руководства бозоном придется выделять дополнительную благодать.  Это не рационально.

Но Валерий Рубаков почему-то молчит о том).

 «Это отчасти получилось на коллайдере Tevatron, и, хотя статистическая достоверность там заметно ниже, эти данные также согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Все элементарные частицы обладают спином — внутренним угловым моментом.

Спин частицы может быть целым (включая нуль) или полуцелым в единицах постоянной Планка ћ.

Частицы с целым спином называются бозонами,

с полуцелым — фермионами.

Спин электрона равен 1/2 ,

спин фотона — 1.

 

Из анализа продуктов распада новой частицы следует, что её спин целый, то есть это бозон.

Из сохранения углового момента в распаде частицы на пару фотонов Н → γγ следует: спин каждого фотона целый; целым всегда остаётся и полный угловой момент у конечного состояния (пары фотонов). Значит, и у начального состояния он тоже целый.

Кроме того, он не равен единице: частица спина 1 не может распадаться на два фотона со спином 1. Остаётся спин 0; 2 или больше.

Хотя спин новой частицы ещё не измерен, крайне маловероятно, что мы имеем дело с частицей спина 2 или больше. Почти наверняка спин Н равен нулю, и, как мы увидим, именно таким должен быть бозон Хиггса».

(И СО СПИНОМ НЕ СЛОЖНО РАЗОБРАТЬСЯ, если вспомнить таблицу изотопов гелия. Правда, гелия – 2  в природе не существует, но он получается в результате ядерной реакции, и спин его равен нулю).

Заканчивая описание известных свойств новой частицы, скажем, что живёт она по меркам физики микромира довольно долго. На основе экспериментальных данных оценка снизу её времени жизни даёт Т_Н > 10^–24 с, что не противоречит предсказанию Стандартной модели: Т_Н = 1,6·10^–22 с. Для сравнения: время жизни t-кварка Т_t = 3·10^–25 с. Отметим, что прямое измерение времени жизни новой частицы на LHC вряд ли возможно».(Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).

(Что дает нам информация о бозоне Хиггса и элементарных частицах?

Прежде всего, она показывает, что время существования элементарных частиц очень малое, что вполне согласуется с нашим предположением воссоздания материи.
Однако прямого измерения времени жизни бозона Хиггса ученые не получили.
Но и самого бозона не видели, и лишь по распаду, полученному в результате обстрела, судят о наличии первичной частицы.
Тогда как множество вторичных частиц — продуктов реакции могли быть сотворены благодатью в процессе эксперимента, а не в результате распада.
Реально существует лишь теория предположения существования бозона и факт появления вторичных частиц. Но два фотона как продукты реакции могли возникнуть и не от бозона. 

При взрывном горении водорода, могут развиваться очень высокие температуры, и характер CNO-цикла резко меняется. Он превращается в так называемый горячий CNO-цикл, в котором реакции идут очень быстро и запутанно).

«В квантовой физике каждая элементарная частица служит квантом некоторого поля, и наоборот: каждому полю соответствует своя частица-квант; наиболее известный пример — электромагнитное поле и его квант, фотон. Поэтому вопрос, поставленный в заглавии, можно переформулировать так:

Зачем нужно новое поле и каковы его ожидаемые свойства?

Краткий ответ состоит в том, что симметрии теории микромира — будь то Стандартная модель или какая-то более сложная теория — запрещают элементарным частицам иметь массу, а новое поле нарушает эти симметрии и обеспечивает существование масс частиц.

В Стандартной модели — простейшем варианте теории (но только в ней!) — все свойства нового поля и соответственно нового бозона, за исключением его массы, однозначно предсказываются опять-таки на основе соображений симметрии. Как мы говорили, имеющиеся экспериментальные данные согласуются именно с простейшим вариантом теории, однако эти данные пока довольно скудны, и предстоит длительная работа по выяснению того, как именно устроен новый сектор физики элементарных частиц.

Рассмотрим, хотя бы в общих чертах, роль симметрии в физике микромира.

Общим свойством физических теорий, будь то ньютоновская механика, механика специальной теории относительности, квантовая механика или теория микромира, является то, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. Например, симметрии относительно сдвигов во времени (то есть тому обстоятельству, что законы физики одинаковы в каждый момент времени) соответствует закон сохранения энергии, симметрии относительно сдвигов в пространстве — закон сохранения импульса, а симметрии относительно поворотов в нём (все направления в пространстве равноправны) — закон сохранения углового момента. Законы сохранения можно интерпретировать и как запреты: перечисленные симметрии запрещают изменение энергии, импульса и углового момента замкнутой системы при её эволюции.

И наоборот: каждому закону сохранения соответствует своя симметрия; это утверждение абсолютно точно и в квантовой теории.

Спрашивается: какая же симметрия соответствует закону сохранения электрического заряда? Ясно, что симметрии пространства и времени, о которых мы только что упомянули, здесь ни при чём.

Тем не менее, помимо очевидных, пространственно-временны´х симметрий существуют неочевидные, «внутренние» симметрии.

Одна из них и приводит к сохранению электрического заряда. Для нас важно, что эта же внутренняя симметрия (только понимаемая в расширенном смысле — физики употребляют термин «калибровочная инвариантность») объясняет, почему у фотона нет массы. Отсутствие массы у фотона, в свою очередь, тесно связано с тем, что у света есть поляризация только двух типов — левая и правая.

Чтобы пояснить связь между наличием только двух типов поляризации света и отсутствием массы у фотона, отвлечёмся на время от разговора о симметриях и снова напомним, что элементарные частицы характеризуются спином, полуцелым или целым в единицах постоянной Планка ћ. Элементарные фермионы (частицы полуцелого спина) имеют спин 1/2. Это электрон е, электронное нейтрино ν_e , тяжёлые аналоги электрона — мюон μ и тау-лептон τ, их нейтрино ν_μ и ν_τ, кварки шести типов u, d, с, s, t, b и соответствующие всем им античастицы (позитрон е⁺, электронное антинейтрино ν̃_е, антикварк ũ и т.д.). Кварки u и d — лёгкие, и из них состоят протон (кварковый состав uud) и нейтрон (udd). Остальные кварки (c, t, s, b) более тяжёлые; они входят в состав короткоживущих частиц, например, К-мезонов.

К бозонам, частицам целого спина, относятся не только фотон, но и его отдалённые аналоги — глюоны (спин 1). Глюоны отвечают за взаимодействия между кварками и связывают их в протон, нейтрон и другие составные частицы. Кроме того, есть ещё три частицы спина 1 — электрически заряженные W⁺, W^– — бозоны и нейтральный Z-бозон, речь о которых впереди. Ну а бозон Хиггса, как уже говорилось, должен иметь нулевой спин. Теперь мы перечислили все элементарные частицы, имеющиеся в Стандартной модели.

Массивная частица спина s (в единицах ћ) имеет 2s + 1 состояний с разными проекциями спина на заданную ось (спин — внутренний угловой момент — вектор, так что понятие о его проекции на заданную ось имеет обычный смысл). Например, спин электрона (s = 1/2) в его системе покоя может быть направлен, допустим, вверх (s₃ = +1/2) или вниз (s₃ = –1/2). Бозон Z обладает ненулевой массой и спином s = 1, поэтому состояний с разными проекциями спина у него три: s₃ = +1, 0 или –1.

Совершенно иначе обстоит дело с безмассовыми частицами. Поскольку они летают со скоростью света, перейти в систему отсчёта, где такая частица покоится, нельзя. Тем не менее, можно говорить о её спиральности — проекции спина на направление движения».(Академик Валерий Рубаков, Долгожданное открытие: бозон Хиггса).

(А теперь вернемся к нашей проблеме и к предыдущему файлу. 

Если Христос «сбросил благодатную массу» своего благодатного тела, то свет Его должен был остаться благодатным. И благодатный свет двигался выше скорости света фотонов, поэтому Господь прошел небеса быстро. Но тогда, почему при скорости света материальных тел, они «размазываются», если действия благодати выше скорости света? Почему воспроизведение материи «не успевает» за скоростью света, если действие благодати выше  скорости света?

Объяснение тому следует искать в неодинаковой скорости воссоздания материи. То есть, скорость воспроизведения частиц разная. Экспериментально физики это давно открыли, но не дали соответствующего объяснения.

Впрочем, должно быть два воспроизведения: одно всеобщее, а второе индивидуальное, подтверждение тому можно найти в интернете.

Приведем сообщение, подтверждающее наше предположение.

Когда вода – не H₂O? Разумеется, когда она H_1.5O! В 1995 г. немецкие и британские физики решили досконально изучить свойства протона и стали бомбардировать молекулы воды нейтронами высокой энергии. Однако рассеянных нейтронов оказалось на четверть меньше, чем ожидалось. Создавалось ощущение, будто исчезло 25% ядер водорода (протонов). Аналогичный результат был получен в экспериментах с молекулами бензола (C₆H₆) и гидрированными (легированными водородом) металлами. Недавно ученые обстреляли твердотельный полимер формвар (C₈H₁₄O₂) не нейтронами, а электронами и снова наблюдали недостаток атомов водорода. Теоретики объясняют частичную прозрачность возникновением кратковременной сцепленности между протонами. В течение нескольких аттосекунд (порядка 10^-18 с), за которые происходит рассеяние, протоны находятся в своеобразном связанном квантовом состоянии. Сцепленность приводит к интерференции протонов и уменьшению их эффективного количества, что проявляется в снижении вероятности рассеяния нейтронов (электронов). Подробное описание проведенных экспериментов можно найти в PhysicalReviewLetters». (Дж. Минкель  www.sciam.ru).

(Этот эксперимент можно объяснить тем, что протоны не успели образоваться во время обстрела, но затем воспроизведение вещества полностью восстановилось. Вещество, участвовавшее в эксперименте, исчезало и творилось вновь, не зависимо от того, что предпринимали относительно него ученые, но с учетом химико-физических возможностей самого вещества, пока оно не было разрушено полностью. В эксперименте протоны могли и вовсе исчезнуть, то есть, не воссоздаться благодатью, но могли воссоздаться со значительным опозданием, так как точечная энергия воссоздавала более тяжелые частицы по иному закону, чем частицы легкие. Творение материи в настоящее время можно  доказать именно в экспериментах с частицами или атомами. Ниже Академик Валерий Рубаков приводит даже поправки на творение частиц в экспериментальных условиях, то есть, для физиков это обычное повседневное явление.

Повторяем, суперпартнером частицы может быть не антиматерия, как то предполагают физики, а благодатная энергия Бога, которая и творит частицу. Необходимо искать не суперпартнера, а рождение отдельных частиц, возникающих при творении вещества в настоящее время. Или наоборот, утрату их, как случайную потерю.

Они неизбежны при творении и сжатии материи как лишние или не успевшие соединиться при большой скорости движения творимого вещества. Ибо то, что называется реликтовыми частицами – не результат Большого взрыва, а следствие современного творения Вселенной.

Если разогнать атом или даже молекулу до скорости света, то при наблюдении за ним можно будет обнаружить не только растекание или размазывание предмета, но сопутствующие ему частицы. Они не прилетели из соседней или дальней галактики, а возникли в процессе эксперимента.

Появление их не только подтвердит суперпартнерство благодати, но и точечное творение мира в настоящее время. Мы не сможем проследить сам процесс творения, но отходы от него должны быть обязательно при нестандартном положении материи или при переходе ее из одного состояния в другое. Это не значит, что благодать «не успевает воссоздавать», скорость творения и воссоздания материи может быть разной, и зависит от воли Творца, но упорный поиск ученых вознаграждается открытиями частиц и законов).

«Так вот, хотя спин фотона равен единице, таких проекций только две — по направлению движения и против него. Это и есть правая и левая поляризации света (фотонов). Третье состояние с нулевой проекцией спина, которое обязано было бы существовать, будь у фотона масса, запрещено глубокой внутренней симметрией электродинамики, той самой симметрией, что приводит к сохранению электрического заряда. Таким образом, эта внутренняя симметрия запрещает и существование массы у фотона!

Интерес для нас представляют, однако, не фотоны, a W^±— и Z-бозоны. Эти частицы, открытые в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере Spp̃S в ЦЕРНе и задолго до этого предсказанные теоретиками, обладают довольно большой массой: W^±-бозоны имеют массу 80 ГэВ (примерно в 80 раз тяжелее протона), а Z-бозон — 91 ГэВ. Свойства W^±— и Z-бозонов хорошо известны в основном благодаря экспериментам на электрон-позитронных коллайдерах LEP (ЦЕРН) и SLC (SLAC, США) и протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США): точность измерений целого ряда величин, относящихся к W^±— и Z-бозонам, лучше 0,1%. Их свойства, и других частиц тоже, прекрасно описывает Стандартная модель. Это относится и к взаимодействиям W^±— и Z-бозонов с электронами, нейтрино, кварками и другими частицами. Такие взаимодействия, кстати, называют слабыми. Они детально изучены; один из давно известных примеров их проявления — бета-распады мюона, нейтрона и ядер.

Как уже говорилось, каждый из W^±— и Z-бозонов может находиться в трёх спиновых состояниях, а не в двух, как фотон. Однако они взаимодействуют с фермионами (нейтрино, кварками, электронами и т.д.) в принципе так же, как фотоны. Например, фотон взаимодействует с электрическим зарядом электрона и электрическим током, создаваемым движущимся электроном. Точно так же Z-бозон взаимодействует с неким зарядом электрона и током, возникающим при движении электрона, только эти заряд и ток имеют неэлектрическую природу. С точностью до важной особенности, о которой пойдёт вскоре речь, аналогия будет полной, если помимо электрического заряда электрону приписать ещё и Z-заряд. Своими Z-зарядами обладают и кварки, и нейтрино.

Аналогия с электродинамикой простирается ещё дальше. Как и теория фотона, теория W^±— и Z-бозонов обладает глубокой внутренней симметрией, близкой к той, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. В полной аналогии с фотоном она запрещает W^±— и Z-бозонам иметь третью поляризацию, а стало быть, и массу. Вот тут и получается нестыковка: симметрийный запрет на массу частицы спина 1 для фотона работает, а для W^±— и Z-бозонов нет!

Дальше — больше. Слабые взаимодействия электронов, нейтрино, кварков и других частиц с W^±— и Z-бозонами происходят так, как если бы эти фермионы не имели массы! Число поляризаций здесь ни при чём: и у массивных, и у безмассовых фермионов поляризаций (направлений спина) две. Дело в том, как именно взаимодействуют фермионы с W^±— и Z-бозонами.

Чтобы пояснить суть проблемы, выключим сначала массу электрона (в теории такое позволено) и рассмотрим воображаемый мир, в котором масса электрона равна нулю. В таком мире электрон летает со скоростью света и может иметь спин, направленный либо по направлению движения, либо против него. Как и для фотона, в первом случае имеет смысл говорить об электроне с правой поляризацией, или, короче, о правом электроне, во втором — о левом.

Поскольку мы хорошо знаем, как устроены электромагнитные и слабые взаимодействия (а только в них электрон и участвует), мы вполне способны описать свойства электрона в нашем воображаемом мире. А они таковы.

Во-первых, в этом мире правый и левый электроны — две совершенно разные частицы: правый электрон никогда не превращается в левый и наоборот. Это запрещено законом сохранения углового момента (в данном случае спина), а взаимодействия электрона с фотоном и Z-бозоном не меняют его поляризацию. Во-вторых, взаимодействие электрона с W-бозоном испытывает только левый электрон, а правый в нём вообще не участвует. Третья важная особенность, о которой мы обмолвились ранее, в этой картине та, что Z-заряды левого и правого электрона различны, и левый электрон взаимодействует с Z-бозоном сильнее, чем правый. Аналогичные свойства имеются и у мюона, и у тау-лептона, и у кварков.

Подчеркнём, что в воображаемом мире с безмассовыми фермионами нет никаких проблем с тем, что левые и правые электроны взаимодействуют с W- и Z-бозонами по-разному и, в частности, что «левый» и «правый» Z-заряды различны. В этом мире левые и правые электроны — частицы разные, и дело с концом: нас же не удивляет, например, что электрон и нейтрино имеют разные электрические заряды: –1 и 0.

Включив массу электрона, мы немедленно придём к противоречию. Быстрый электрон, скорость которого близка к скорости света, а спин направлен против направления движения, выглядит почти так же, как левый электрон из нашего воображаемого мира. И взаимодействовать он должен почти так же². (2 В реальном мире для ограниченного (но только ограниченного!) круга процессов так оно и есть. Например, взаимодействие быстрого массивного электрона, спин которого направлен против направления движения, с покоящейся или медленно движущейся мишенью (скажем, атомным ядром), практически не отличается от взаимодействия левого безмассового электрона).

Если его взаимодействие связано с Z-зарядом, то значение Z-заряда у него «левое», такое же, как у левого электрона из воображаемого мира. Однако скорость массивного электрона всё-таки меньше скорости света, и всегда можно перейти в систему отсчёта, движущуюся ещё быстрее. В новой системе направление движения электрона изменится на противоположное, а направление спина останется прежним. 

Проекция спина на направление движения будет теперь положительной, и такой электрон станет выглядеть как правый, а не левый³. (3. Противоречия с утверждением, сделанным в предыдущей сноске, здесь нет: мишень, покоящаяся в старой системе отсчёта, теперь движется быстрее электрона, и в реальном мире взаимодействие электрона с подобной мишенью существенно отличается от взаимодействия с покоящейся мишенью).

Соответственно и его Z-заряд должен быть таким же, как у правого электрона из воображаемого мира. Но такого не может быть: значение заряда не должно зависеть от системы отсчета. Противоречие налицо. Подчеркнём, что мы пришли к нему, предполагая, что Z-заряд сохраняется; иначе о его значении для данной частицы и говорить не приходится.

Это противоречие показывает, что симметрии Стандартной модели (для определённости будем говорить о ней, хотя всё сказанное относится к любому другому варианту теории) должны были бы запрещать существование масс не только у W^±— и Z-бозонов, но и у фермионов. Но при чём тут симметрии?

При том, что они должны были бы приводить к сохранению Z-заряда. Измерив Z-заряд электрона, мы смогли бы однозначно сказать, левый этот электрон или правый. А это возможно только тогда, когда масса электрона равна нулю.

Таким образом, в мире, где все симметрии Стандартной модели реализовывались бы так же, как в электродинамике, все элементарные частицы имели бы нулевые массы. Но в реальном мире массы у них есть, а значит, с симметриями Стандартной модели что-то должно происходить.

Говоря о связи симметрии с законами сохранения и запретами, мы упустили из виду одно обстоятельство. Оно заключается в том, что законы сохранения и симметрийные запреты выполняются только тогда, когда симметрия присутствует явно. Однако симметрии могут быть и нарушенными. Например, в однородном образце железа при комнатной температуре может присутствовать магнитное поле, направленное в какую-то сторону; тогда образец представляет собой магнит. Если бы существовали микроскопические существа, живущие внутри него, они бы обнаружили, что не все направления пространства равноправны. На электрон, летящий поперёк магнитного поля, действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, а на электрон, летящий вдоль него, сила не действует. Электрон вдоль магнитного поля движется по прямой, поперёк поля по окружности, а в общем случае — по спирали. Стало быть, магнитное поле внутри образца нарушает симметрию относительно вращений в пространстве. В связи с этим внутри магнита не выполняется и закон сохранения углового момента: при движении электрона по спирали проекция углового момента на ось, перпендикулярную магнитному полю, меняется со временем.

Здесь мы имеем дело со спонтанным нарушением симметрии. В отсутствие внешних воздействий (например, магнитного поля Земли) в разных образцах железа магнитное поле может быть направлено в разные стороны, и ни одно из этих направлений не предпочтительнее другого. Исходная симметрия относительно вращений по-прежнему имеется и проявляется она в том, что магнитное поле в образце может быть направлено куда угодно. Но раз уж магнитное поле возникло, появилось и выделенное направление, и симметрия внутри магнита оказалась нарушенной. На более формальном уровне уравнения, управляющие взаимодействием атомов железа между собой и с магнитным полем, симметричны относительно вращений в пространстве, но состояние системы этих атомов — образца железа — несимметрично. В этом и состоит явление спонтанного нарушения симметрии. Отметим, что мы здесь говорим о наиболее выгодном состоянии, имеющем наименьшую энергию; такое состояние называют основным. Именно в нем, в конце концов, окажется образец железа, даже если изначально он был ненамагниченным.

Итак, спонтанное нарушение некоторой симметрии имеет место тогда, когда уравнения теории симметричны, а основное состояние — нет. Слово «спонтанное» употребляют в этом случае в связи с тем, что система сама, без нашего участия, выбирает несимметричное состояние, поскольку именно оно энергетически наиболее выгодно. Из приведённого примера ясно, что если симметрия спонтанно нарушена, то вытекающие из неё законы сохранения и запреты не работают; в нашем примере это относится к сохранению углового момента. Подчеркнём, что полная симметрия теории может быть нарушена лишь частично: в нашем примере из полной симметрии относительно всех вращений в пространстве явной, ненарушенной остаётся симметрия относительно вращений вокруг направления магнитного поля.

Микроскопические существа, живущие внутри магнита, могли бы задать себе вопрос: «В нашем мире не все направления равноправны, угловой момент не сохраняется, но действительно ли пространство несимметрично относительно вращений?» Изучив движение электронов и построив соответствующую теорию (в данном случае электродинамику), они бы поняли, что ответ на этот вопрос отрицателен: её уравнения симметричны, но эта симметрия спонтанно нарушена за счёт «разлитого» повсюду магнитного поля. Развивая теорию дальше, они бы предсказали, что поле, отвечающее за спонтанное нарушение симметрии, должно иметь свои кванты, фотоны. И, построив внутри магнита маленький ускоритель, с радостью убедились бы, что эти кванты действительно существуют — они рождаются в столкновениях электронов!

В общих чертах ситуация в физике элементарных частиц похожа на описанную. Но есть и важные отличия. Во-первых, ни о какой среде наподобие кристаллической решётки атомов железа говорить не приходится. В природе состояние с наинизшей энергией — вакуум (по определению!). Это не означает, что в вакууме — основном состоянии природы — не может быть однородно «разлитых» полей, подобных магнитному полю в нашем примере. Наоборот, нестыковки, о которых мы говорили, свидетельствуют, что симметрии Стандартной модели (точнее, их часть) должны быть спонтанно нарушенными, а это предполагает, что в вакууме имеется какое-то поле, обеспечивающее это нарушение. Во-вторых, речь идёт не о пространственно-временных, как в нашем примере, а о внутренних симметриях. Пространственно-временные симметрии, наоборот, не должны нарушаться из-за присутствия поля в вакууме. Отсюда следует важный вывод: в отличие от магнитного, это поле не должно выделять никакого направления в пространстве (точнее, в пространстве-времени, поскольку мы имеем дело с релятивистской физикой). Поля с таким свойством называют скалярными; им соответствуют частицы спина 0. Стало быть, поле, «разлитое» в вакууме и приводящее к нарушению симметрии, должно быть доселе неизвестным, новым. Действительно, известным полям, о которых мы явно или неявно упоминали выше — электромагнитному полю, полям W^±— и Z-бозонов, глюонов, — соответствуют частицы спина 1. Такие поля выделяют направления в пространстве-времени и называются векторными, а нам требуется поле скалярное. Поля, соответствующие фермионам (спин 1/2), тоже не годятся. В-третьих, новое поле должно нарушать симметрии Стандартной модели не полностью, внутренняя симметрия электродинамики должна оставаться ненарушенной. Наконец, и это самое главное, взаимодействие нового поля, «разлитого» в вакууме, с W^±— и Z-бозонами, электронами и другими фермионами должно приводить к появлению масс у этих частиц.

Механизм генерации масс частиц со спином 1 (в природе это W^±— и Z-бозоны) за счёт спонтанного нарушения симметрии предложили в контексте физики элементарных частиц теоретики из Брюсселя Франсуа Энглер и Роберт Браут в 1964 году и чуть позже – физик из Эдинбурга Питер Хиггс ⁴.  (4.Похожие механизмы стали известны раньше в физике конденсированных сред благодаря работам Г. и Ф. Лондонов, В. Л. Гинзбурга и Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбова, П. У. Андерсона, теории Бардина — Купера — Шриффера и других.)

Исследователи опирались на представление о спонтанном нарушении симметрии (но в теориях без векторных полей, то есть без частиц спина 1), которое ввели в 1960—1961 годах в своих работах Й. Намбу, он же совместно с Дж. Йона-Лазинио, В. Г. Вакс и А. И. Ларкин, Дж. Голдстоун (Йоичиро Намбу получил за эту работу Нобелевскую премию в 2008 году). В отличие от предыдущих авторов, Энглер, Браут и Хиггс рассмотрели теорию (в то время умозрительную), в которой присутствует как скалярное (спин 0), так и векторное поле (спин 1). В этой теории имеется внутренняя симметрия, вполне аналогичная той симметрии электродинамики, которая приводит к сохранению электрического заряда и к запрету массы фотона. Но в отличие от электродинамики внутренняя симметрия спонтанно нарушена однородным скалярным полем, имеющимся в вакууме. Замечательным результатом Энглера, Браута и Хиггса стала демонстрация того факта, что это нарушение симметрии автоматически влечёт за собой появление массы у частицы спина 1 — кванта векторного поля!

Довольно прямолинейное обобщение механизма Энглера — Браута — Хиггса, связанное с включением в теорию фермионов и их взаимодействия с нарушающим симметрию скалярным полем, приводит к появлению массы и у фермионов. Всё начинает становиться на свои места! Стандартная модель получается как дальнейшее обобщение. В ней теперь есть не одно, а несколько векторных полей — фотона, W^±— и Z-бозонов (глюоны — это отдельная история, они к механизму Энглера–Браута–Хиггса отношения не имеют) и разных типов фермионов. Последний шаг на самом деле весьма нетривиален; за формулировку полной теории слабых и электромагнитных взаимодействий Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили в 1979 году Нобелевскую премию.

Вернёмся в 1964 год. Для анализа своей теории Энглер и Браут использовали довольно вычурный по сегодняшним меркам подход. Наверное, поэтому они не заметили, что наряду с массивной частицей спина 1 теория предсказывает существование ещё одной частицы — бозона со спином 0. А вот Хиггс заметил, и сейчас эту новую бесспиновую частицу часто называют бозоном Хиггса. Как уже отмечалось, такая терминология не вполне корректна: впервые предложили использовать скалярное поле для спонтанного нарушения симметрии и генерации масс частиц спина 1 всё же Энглер и Браут. Не вдаваясь больше в терминологию, подчеркнём, что новый бозон с нулевым спином служит квантом того самого скалярного поля, которое нарушает симметрию. И в этом его уникальность.

Здесь нужно сделать уточнение. Повторим, что если бы спонтанного нарушения симметрии не было, то W^±— и Z-бозоны были бы безмассовыми. Каждый из трёх бозонов W⁺, W^–, Z имел бы, как фотон, две поляризации. Итого, считая частицы с разными поляризациями неодинаковыми, мы бы имели 2 × 3 = 6 типов W^±— и Z-бозонов. В Стандартной модели W^±— и Z-бозоны массивные, каждый из них имеет три спиновых состояния, то есть три поляризации, итого 3 × 3 = 9 типов частиц – квантов полей W^±, Z. Спрашивается, откуда взялись три «лишних» типа квантов? Дело в том, что Стандартной модели необходимо иметь не одно, а четыре скалярных поля Энглера — Браута — Хиггса. Квант одного из них — это бозон Хиггса. А кванты трёх других в результате спонтанного нарушения симметрии как раз и превращаются в три «лишних» кванта, имеющихся у массивных W^±— и Z-бозонов. Они давно найдены, коль скоро известно, что W^±— и Z-бозоны имеют массу: три «лишних» спиновых состояния W⁺-, W^– и Z-бозонов — это они и есть.

Эта арифметика, кстати, согласуется с тем, что все четыре поля Энглера — Браута — Хиггса — скалярные, их кванты имеют нулевой спин. Безмассовые W^±— и Z-бозоны имели бы проекции спина на направление движения, равные –1 и +1. Для массивных W^±— и Z-бозонов эти проекции принимают значения –1, 0 и +1, то есть «лишние» кванты имеют нулевую проекцию. Три поля Энглера — Браута — Хиггса, из которых эти «лишние» кванты получаются, тоже имеют нулевую проекцию спина на направление движения просто потому, что их вектор спина равен нулю. Всё сходится.

Итак, бозон Хиггса — это квант одного из четырёх скалярных полей Энглера–Браута–Хиггса в Стандартной модели. Три других поедаются (научный термин!) W^±— и Z-бозонами, превращаясь в их третьи, недостающие спиновые состояния.

Самое удивительное в этой истории заключается в том, что сегодня мы понимаем: механизм Энглера — Браута — Хиггса — отнюдь не единственный возможный механизм нарушения симметрии в физике микромира и генерации масс элементарных частиц, а бозон Хиггса мог бы и не существовать. Например, в физике конденсированных сред (жидкостей, твёрдых тел) имеется множество примеров спонтанного нарушения симметрии и разнообразия механизмов этого нарушения. И в большинстве случаев ничего похожего на бозон Хиггса в них нет.

Ближайший твёрдотельный аналог спонтанного нарушения симметрии Стандартной модели в вакууме — спонтанное нарушение внутренней симметрии электродинамики в толще сверхпроводника. Оно приводит к тому, что в сверхпроводнике фотон в определённом смысле обладает массой (как W^±— и Z-бозоны в вакууме). Проявляется это в эффекте Мейсснера — выталкивании магнитного поля из сверхпроводника. Фотон «не хочет» проникать внутрь сверхпроводника, где он становится массивным: ему там «тяжело», энергетически невыгодно там находиться (вспомните: Е = mс²). Магнитное поле, которое можно несколько условно считать набором фотонов, обладает тем же свойством: оно в сверхпроводник не проникает. Это и есть эффект Мейсснера.

Эффективная теория сверхпроводимости Гинзбурга — Ландау чрезвычайно похожа на теорию Энглера — Браута — Хиггса (точнее, наоборот: теория Гинзбурга — Ландау на 14 лет старше). В ней тоже есть скалярное поле, которое однородно «разлито» по сверхпроводнику и приводит к спонтанному нарушению симметрии. Однако теорию Гинзбурга — Ландау недаром называют эффективной: она ухватывает, образно говоря, внешнюю сторону явления, но совершенно неадекватна для понимания фундаментальных, микроскопических причин возникновения сверхпроводимости. Никакого скалярного поля в сверхпроводнике на самом деле нет, в нём есть электроны и кристаллическая решётка, а сверхпроводимость обусловлена особыми свойствами основного состояния системы электронов, возникающими благодаря взаимодействию между ними (см. «Наука и жизнь» № 2, 2004 г., статья «Сверхпроводимость и сверхтекучесть». — Прим. ред.).

Не может ли подобная картина иметь место и в микромире? Не окажется ли так, что никакого фундаментального скалярного поля, «разлитого» в вакууме, нет, а спонтанное нарушение симметрии вызвано совершенно иными причинами? Если рассуждать чисто теоретически и не обращать внимания на экспериментальные факты, то ответ на этот вопрос утвердительный. Удачным примером служит так называемая модель техницвета, предложенная в 1979 году уже упоминавшимся Стивеном Вайнбергом и — независимо — Леонардом Сасскиндом.

В ней нет ни фундаментальных скалярных полей, ни бозона Хиггса, а вместо них — много новых элементарных частиц, по своим свойствам напоминающих кварки. Взаимодействие между ними и приводит к спонтанному нарушению симметрии и генерации масс W^±— и Z-бозонов. С массами известных фермионов, например электрона, дело обстоит хуже, но и эту проблему можно решить за счёт усложнения теории.

Внимательный читатель может задать вопрос: «А как же с аргументами предыдущей главки, говорящими, что нарушать симметрию должно именно скалярное поле?» Лазейка здесь в том, что это скалярное поле может быть составным, в том смысле, что соответствующие ему частицы-кванты не элементарны, но состоят из других, «истинно» элементарных частиц.

Вспомним в этой связи квантово-механическое соотношение неопределённостей Гайзенберга Δх ×Δр ≥ ћ, где Δх и Δр — неопределённости координаты и импульса соответственно. Одно из его проявлений состоит в том, что структура составных объектов с характерным внутренним размером Δх проявляется лишь в процессах с участием частиц с достаточно высокими импульсами р ≥ћ/Δх, а значит, с достаточно большими энергиями. Здесь уместно напомнить о Резерфорде, который бомбардировал атомы электронами высоких по тем временам энергий и таким образом выяснил, что атомы состоят из ядер и электронов. Разглядывая атомы в микроскоп даже с самой совершенной оптикой (то есть, используя свет — фотоны низких энергий), обнаружить, что атомы составные, а не элементарные, точечные частицы, невозможно: не хватает разрешения.

Итак, при низких энергиях составная частица выглядит как элементарная. Для эффективного описания таких частиц при низких энергиях их вполне можно считать квантами некоторого поля. Если спин составной частицы равен нулю, то это поле скалярное.

Подобная ситуация реализуется, например, в физике π-мезонов, частиц со спином 0. До середины 1960-х годов не было известно, что они состоят из кварков и антикварков (кварковый состав π⁺-, π^–— и π⁰-мезонов — это ud̃, dũ и комбинация из uũ и dd̃ соответственно).

Тогда π-мезоны описывались элементарными скалярными полями. Теперь мы знаем, что эти частицы составные, но «старая» полевая теория π-мезонов остаётся в силе, поскольку рассматриваются процессы при низких энергиях. Лишь при энергиях порядка 1 ГэВ и выше начинает проявляться их кварковая структура, и теория перестаёт работать. Энергетический масштаб 1 ГэВ здесь появился неслучайно: это масштаб сильных взаимодействий, связывающих кварки в π-мезоны, протоны, нейтроны и т.д., это масштаб масс сильновзаимодействующих частиц, например протона. Отметим, что сами π-мезоны стоят особняком: по причине, о которой мы не станем здесь говорить, они имеют гораздо меньшие массы: m_π± = 140 МэВ, m_π0 = 135 МэВ.

Итак, скалярные поля, ответственные за спонтанное нарушение симметрии, в принципе могут быть составными. Именно такую ситуацию предполагает модель техницвета. При этом три бесспиновых кванта, которые поедаются W^±— и Z-бозонами и становятся их недостающими спиновыми состояниями, имеют близкую аналогию с π⁺-, π^–— и π⁰-мезонами. Только соответствующий энергетический масштаб уже не 1 ГэВ, а несколько ТэВ. В такой картине ожидается существование множества новых составных частиц — аналогов протона, нейтрона и т.д. — с массами порядка нескольких ТэВ. Сравнительно лёгкий бозон Хиггса в ней, наоборот, отсутствует. Ещё одна особенность модели в том, что W^±— и Z-бозоны в ней — частицы отчасти составные, поскольку, как мы сказали, некоторые их компоненты аналогичны π-мезонам. Это должно было бы проявляться во взаимодействиях W^±— и Z-бозонов.

Именно последнее обстоятельство привело к тому, что модель техницвета (по крайней мере, в её изначальной формулировке) была отвергнута задолго до обнаружения нового бозона: точные измерения свойств W^±— и Z-бозонов на LEP и SLC не согласуются с предсказаниями модели.

Эта красивая теория была разгромлена упрямыми экспериментальными фактами, а открытие бозона Хиггса поставило на ней окончательный крест. Тем не менее, для меня, как и для ряда других теоретиков, идея о составных скалярных полях привлекательней теории Энглера — Браута — Хиггса с элементарными скалярными полями. Конечно, после открытия в ЦЕРНе нового бозона идея о составленности оказалась в ещё более трудном положении, чем раньше: если эта частица составная, она должна достаточно успешно мимикрировать под элементарный бозон Хиггса. И всё же поживём — увидим, что покажут эксперименты на LHC, в первую очередь более точные измерения свойств нового бозона.

Вернёмся, в качестве рабочей гипотезы, к минимальной версии теории — Стандартной модели с одним элементарным бозоном Хиггса. Поскольку в этой теории именно поле (точнее, поля) Энглера — Браута — Хиггса даёт массы всем элементарным частицам, взаимодействие каждой из этих частиц с бозоном Хиггса жёстко фиксировано. Чем больше масса частицы, тем сильнее взаимодействие; чем сильнее взаимодействие, тем более вероятен распад бозона Хиггса на пару частиц данного сорта. Распады бозона Хиггса на пары реальных частиц tt̃ , ZZ и W+W– запрещены законом сохранения энергии. Он требует, чтобы сумма масс продуктов распада была меньше массы распадающейся частицы (опять вспоминаем Е = mс²), а у нас, напомним, m_н ≈ 125 ГэВ, m_t = 173 ГэВ, m_z = 91 ГэВ и m_w = 80 ГэВ. Следующим по массе стоит b-кварк с m_b = 4 ГэВ, и именно поэтому, как мы говорили, бозон Хиггса охотнее всего распадается на пару bb̃. Интересен и распад бозона Хиггса на пару довольно тяжелых τ-лептонов H → τ⁺τ^– (m_τ = 1,8 ГэВ), происходящий с вероятностью 6%. Распад H → μ⁺μ^– (m_µ = 106 МэВ) должен происходить с ещё меньшей, но всё же неисчезающей вероятностью 0,02%. Помимо обсуждавшихся выше распадов H → γγ; H → 4ℓ и H → 2ℓ2ν, отметим распад H → Zγ, вероятность которого должна составлять 0,15%. Все эти вероятности можно будет измерить на LHC, и любое отклонение от этих предсказаний будет означать, что наша рабочая гипотеза — Стандартная модель — неверна. И наоборот, согласие с предсказаниями Стандартной модели будет всё больше и больше убеждать нас в её справедливости.

То же можно сказать и о рождении бозона Хиггса в столкновениях протонов. Бозон Хиггса может рождаться в одиночку при взаимодействии двух глюонов, вместе с парой лёгких кварков высоких энергий, вместе с одним W- или Z-бозоном или, наконец, вместе с парой tt̃. Частицы, рождающиеся вместе с бозоном Хиггса, можно детектировать и отождествлять, поэтому разные механизмы рождения можно изучать на LHC по отдельности. Тем самым удаётся извлекать информацию о взаимодействии бозона Хиггса с W^±-, Z-бозонами и t-кварком.

Наконец, важное свойство бозона Хиггса — его взаимодействие с самим собой. Оно должно проявляться в процессе Н* → НН, где Н* — виртуальная частица. Cвойства этого взаимодействия тоже однозначно предсказывает Стандартная модель. Впрочем, его изучение — дело отдалённого будущего.

Итак, на LHC имеется обширная программа исследования взаимодействий нового бозона. В результате её выполнения станет более или менее ясно, описывает ли природу Стандартная модель или мы имеем дело с какой-то другой, более сложной (а возможно, и более простой) теорией. Дальнейшее продвижение связано с существенным повышением точности измерений; оно потребует строительства нового электрон-позитронного ускорителя — е⁺е^–-коллайдера с рекордной для такого типа машин энергией. Очень может быть, что на этом пути нас поджидает масса сюрпризов.

С «технической» точки зрения Стандартная модель внутренне непротиворечива. То есть в её рамках можно — хотя бы в принципе, а, как правило, и на практике — вычислить любую физическую величину (разумеется, относящуюся к тем явлениям, которые она призвана описывать), и результат не будет содержать неопределённостей. Тем не менее, многие, хотя и не все, теоретики считают положение дел в Стандартной модели, мягко говоря, не вполне удовлетворительным. И связано это в первую очередь с её энергетическим масштабом.

Как ясно из предыдущего, энергетический масштаб Стандартной модели имеет порядок M_см = 100 ГэВ (мы здесь не говорим о сильных взаимодействиях с масштабом 1 ГэВ, с ним всё проще). Это — масштаб масс W^±— и Z-бозонов и бозона Хиггса. Много это или мало? С экспериментальной точки зрения — изрядно, а вот с теоретической…

В физике имеется ещё один масштаб энергий. Он связан с гравитацией и равен массе Планка M_pl = 10¹⁹ ГэВ. При низких энергиях гравитационные взаимодействия между частицами пренебрежимо малы, но они усиливаются с ростом энергии, и при энергиях порядка M_pl гравитация становится сильной. Энергии выше M_pl — это область квантовой гравитации, что бы она собой ни представляла. Для нас важно, что гравитация — пожалуй, самое фундаментальное взаимодействие и гравитационный масштаб M_pl — самый фундаментальный масштаб энергий. Почему же тогда масштаб Стандартной модели Мсм = 100 ГэВ так далёк от M_pl = 1019 ГэВ?

У обозначенной проблемы есть ещё один, более тонкий аспект. Он связан со свойствами физического вакуума. В квантовой теории вакуум — основное состояние природы — устроен весьма нетривиально.

В нём всё время рождаются и уничтожаются виртуальные частицы; иными словами, образуются и исчезают флуктуации полей. Непосредственно наблюдать эти процессы мы не можем, но они оказывают влияние на наблюдаемые свойства элементарных частиц, атомов и т.д.

Например, взаимодействие электрона в атоме с виртуальными электронами и фотонами приводит к наблюдаемому в атомных спектрах явлению — лэмбовскому сдвигу.

Другой пример: поправка к магнитному моменту электрона или мюона (аномальный магнитный момент) тоже обусловлена взаимодействием с виртуальными частицами. Эти и подобные эффекты вычислены и измерены (в указанных случаях с фантастической точностью!), так что мы можем быть уверены, что имеем правильную картину физического вакуума.

В этой картине все параметры, изначально заложенные в теорию, получают поправки, называемые радиационными, за счет взаимодействия с виртуальными частицами.

В квантовой электродинамике они малы, а вот в секторе Энглера — Браута — Хиггса они огромны.

Такова особенность элементарных скалярных полей, составляющих этот сектор; у других полей этого свойства нет. Главный эффект здесь состоит в том, что радиационные поправки стремятся «подтянуть» энергетический масштаб Стандартной модели M_см к гравитационному масштабу M_pl.

Если оставаться в рамках Стандартной модели, то единственный выход — подобрать изначальные параметры теории так, чтобы вместе с радиационными поправками они приводили к правильному значению M_см. Однако выясняется, что точность подгонки должна составлять величину, близкую к M_см²/M_pl² = 10^-34! В этом и состоит второй аспект проблемы энергетического масштаба Стандартной модели: представляется неправдоподобным, что такая подгонка имеет место в природе.

Многие (хотя, повторим, не все) теоретики считают, что эта проблема однозначно свидетельствует о необходимости выхода за рамки Стандартной модели. Действительно, если Стандартная модель перестаёт работать или существенно расширяется на энергетическом масштабе «новой физики — НФ» M_нф, то требуемая точность подгонки параметров составит, грубо говоря, М²_см/М²_нф, а на самом деле порядка на два меньше. Если считать, что тонкой подстройки параметров в природе нет, то масштаб «новой физики» должен лежать в области 1—2 ТэВ, то есть как раз в области, доступной для исследования на Большом адронном коллайдере!

Какой могла бы быть «новая физика»? Единства у теоретиков по этому поводу нет.

Один вариант — составная природа скалярных полей, обеспечивающих спонтанное нарушение симметрии, о котором уже говорилось.

Другая, тоже популярная (пока?) возможность — суперсимметрия, о которой скажем только, что она предсказывает целый зоопарк новых частиц с массами в области сотен ГэВ — нескольких ТэВ.

Обсуждаются и весьма экзотические варианты вроде дополнительных измерений пространства (скажем, так называемая М-теория — см. «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 1997 г., статья «Суперструны: на пути к теории всего». — Прим. ред.).

Несмотря на все усилия, до сих пор никаких экспериментальных указаний на «новую физику» не получено. Это, вообще-то, уже начинает внушать тревогу: а правильно ли мы всё понимаем? Вполне возможно, впрочем, что мы ещё не добрались до «новой физики» по энергии и по количеству набранных данных и что именно с ней будут связаны новые, революционные открытия. Основные надежды здесь возлагают опять-таки на Большой адронный коллайдер, который через полтора года начнёт работать на полную энергию 13—14 ТэВ и быстро набирать данные. Следите за новостями!

***

Физика элементарных частиц, которая изучает самые крошечные объекты в природе, нуждается в гигантских исследовательских установках, где эти частицы ускоряются, сталкиваются, распадаются. Самые мощные из них – коллайдеры.

Коллайдер — это ускоритель со встречными пучками частиц, в котором частицы сталкиваются «лоб в лоб», например, электроны и позитроны в е⁺е^–-коллайдерах. До настоящего времени были созданы также протон-антипротонные, протон-протонные, электрон-протонные и ядро-ядерные (или тяжелоионные) коллайдеры. Остальные возможности, например, μ⁺μ^–-коллайдер, пока только обсуждаются. Основными коллайдерами для физики элементарных частиц служат протон-антипротонные, протон-протонные и электрон-позитронные.

Большой адронный коллайдер (LHC) — протон-протонный, он ускоряет два пучка протонов один навстречу другому (может также работать и как тяжелоионный коллайдер). Проектная энергия протонов в каждом из пучков составляет 7 ТэВ, так что полная энергия столкновения — 14 ТэВ. В 2011 году коллайдер работал на половине этой энергии, а в 2012 году — на полной энергии 8 ТэВ. Большой адронный коллайдер представляет собой кольцо длиной 27 км, в котором протоны ускоряют электрические поля, а удерживают поля, созданные сверхпроводящими магнитами. Столкновения протонов происходят в четырёх местах, где расположены детекторы, регистрирующие частицы, рождающиеся в столкновениях. ATLAS и CMS предназначены для исследований в области физики элементарных частиц высокой энергии; LHC-b — для изучения частиц, в составе которых имеются b-кварки, а ALICE — для исследований горячей и плотной кварк-глюонной материи.

Spp̃S — протон-антипротонный коллайдер в ЦЕРНе. Длина кольца 6,9 км, максимальная энергия столкновения 630 ГэВ. Работал с 1981 по 1990 год.

LEP — кольцевой электрон-позитронный коллайдер с максимальной энергией столкновения 209 ГэВ, расположенный в том же туннеле, что и LHC. Работал с 1989 по 2000 год.

SLC — линейный электрон-позитронный коллайдер в SLAC, США. Энергия столкновения 91 ГэВ (масса Z-бозона). Работал с 1989 по 1998 год.

Tevatron — кольцевой протон-антипротонный коллайдер в Fermilab, США. Длина кольца 6 км, максимальная энергия столкновения 2 ТэВ. Работал с 1987 по 2011 год.

Сравнивая протон-протонные и протон-антипротонные коллайдеры с электрон-позитронными, нужно иметь в виду, что протон — составная частица, он содержит в себе кварки и глюоны. Каждый из этих кварков и глюонов несёт лишь часть энергии протона. Поэтому в Большом адронном коллайдере, например, энергия элементарного столкновения (между двумя кварками, между двумя глюонами или кварка с глюоном) заметно ниже суммарной энергии сталкивающихся протонов (14 ТэВ при проектных параметрах). Из-за этого область энергий, доступных для изучения на нём, достигает «всего» 2—4 ТэВ, в зависимости от изучаемого процесса. Такой особенности у электрон-позитронных коллайдеров нет: электрон – элементарная, бесструктурная частица.

Преимущество протон-протонных (и протон-антипротонных) коллайдеров в том, что даже с учётом этой особенности достичь высоких энергий столкновений на них технически проще, чем на электрон-позитронных. Есть и минус. Из-за составной структуры протона, а также из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой гораздо сильнее, чем электроны с позитронами, в столкновениях протонов происходит гораздо больше событий, не интересных с точки зрения поиска бозона Хиггса или других новых частиц и явлений. Интересные же события выглядят в протонных столкновениях более «грязными», в них рождается много «посторонних», неинтересных частиц. Всё это создаёт «шум», выделить из которого полезный сигнал сложнее, чем на электрон-позитронных коллайдерах. Соответственно ниже и точность измерений. Из-за всего этого протон-протонные (и протон-антипротонные) коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные — машинами точных измерений.

***

Стандартное отклонение (среднеквадратичное отклонение) σ_х – характеристика случайных отклонений измеренной величины от среднего значения. Вероятность того, что измеренное значение величины X случайным образом окажется отличающимся на 5σ_х от истинного, составляет всего 0,00006%. Именно поэтому в физике элементарных частиц отклонение сигнала от фона на 5σ считают достаточным для признания сигнала истинным.

***

Частицы, перечисленные в Стандартной модели, кроме протона, электрона, нейтрино и их античастиц, нестабильны: они распадаются на другие частицы. Впрочем, два типа нейтрино из трёх тоже должны быть нестабильными, но их время жизни чрезвычайно велико. В физике микромира действует принцип: всё, что может происходить, действительно происходит. Поэтому стабильность частицы связана с каким-то законом сохранения. Электрону и позитрону запрещает распадаться закон сохранения заряда. Легчайшее нейтрино (спин 1/2) не распадается из-за сохранения углового момента. Распад протона запрещён законом сохранения ещё одного «заряда», который называют барионным числом (барионное число протона по определению равно 1, а более лёгких частиц — нулю).

С барионным числом связана ещё одна внутренняя симметрия. Точная она или приближённая, стабилен ли протон или имеет конечное, хотя и очень большое время жизни — предмет отдельного разговора.

***

Кварки — один из типов элементарных частиц. В свободном состоянии они не наблюдаются, а всегда связаны друг с другом и образуют составные частицы — адроны. Единственное исключение — t-кварк, он распадается, не успев объединиться с другими кварками или антикварками в адрон. К адронам относятся протон, нейтрон, π-мезоны, К-мезоны и др.

b-кварк — один из шести типов кварков, второй по массе после t-кварка.

Мюон — тяжёлый нестабильный аналог электрона с массой m_μ = 106 МэВ. Время жизни мюона Т_μ = 2·10^–6 секунды достаточно велико для того, чтобы он пролетал через весь детектор, не распадаясь.

***

Виртуальная частица отличается от реальной тем, что для реальной частицы выполняется обычное релятивистское соотношение между энергией и импульсом Е² = р²с² + m²с⁴, а для виртуальной не выполняется. Такое возможно благодаря квантово-механическому соотношению ΔE·Δt ~ ħ между неопределённостью энергии ΔЕ и длительностью процесса Δt. Поэтому виртуальная частица почти мгновенно распадается или аннигилирует с другой (её время жизни Δt очень мало), а реальная живёт заметно дольше или вообще стабильна.

***

Лэмбовский сдвиг уровней — небольшое отклонение тонкой структуры уровней атома водорода и водородоподобных атомов под действием испускания и поглощения ими виртуальных фотонов или виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Эффект обнаружили в 1947 году американские физики У. Лэмб и Р. Резерфорд.

¹Стандартная модель на самом деле заведомо неполна, но это предмет отдельного разговора. Отметим только, что о её неполноте свидетельствуют данные космологии — науки о Вселенной. Проявится ли неполнота Стандартной модели при энергиях LHC — вопрос пока открытый и интригующий.

²В реальном мире для ограниченного (но только ограниченного!) круга процессов так оно и есть. Например, взаимодействие быстрого массивного электрона, спин которого направлен против направления движения, с покоящейся или медленно движущейся мишенью (скажем, атомным ядром), практически не отличается от взаимодействия левого безмассового электрона.

³ Противоречия с утверждением, сделанным в предыдущей сноске, здесь нет: мишень, покоящаяся в старой системе отсчёта, теперь движется быстрее электрона, и в реальном мире взаимодействие электрона с подобной мишенью существенно отличается от взаимодействия с покоящейся мишенью.

⁴ Похожие механизмы стали известны раньше в физике конденсированных сред благодаря работам Г. и Ф. Лондонов, В. Л. Гинзбурга и Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбова, П. У. Андерсона, теории Бардина — Купера — Шриффера и других.

Взаимодействия в микромире. Электромагнитное взаимодействие происходит за счёт излучения и поглощения фотонов (а). Слабые взаимодействия имеют сходную природу: они обусловлены излучением, поглощением или распадом Z-бозонов (б) или W-бозонов (в), когда меняется также тип фермиона. На (в) показан процесс бета-распада мюона: µ→eν_µν̃_e путём рождения и распада W-бозона. Аналогичным образом происходит бета-распад нейтрона и некоторых атомных ядер.

 Детектор LHC-B предназначен для изучения свойств В-мезонов — адронов, содержащих b-кварк. Эти частицы быстро распадаются, успев отлететь от пучка частиц лишь на доли миллиметра. Фото: Maximilien Brice, CERN. 

Элементарные частицы Стандартной модели. Почти все они имеют свои античастицы, которые обозначают символом с

тильдой сверху. Взаимодействия в микромире. Электромагнитное взаимодействие происходит за счёт излучения и поглощения фотонов (а).

Слабые взаимодействия имеют сходную природу: они обусловлены излучением, поглощением или распадом Z-бозонов (б) или W-бозонов (в).

Бозон Хиггса Н (спин 0) распадается на два фотона (спин 1), спины которых антипараллельны и в сумме дают 0.

При излучении фотона или испускании Z-бозона быстрым электроном проекция его спина на направление движения не меняется. Круглой стрелкой показано внутреннее вращение электрона.

 

однородном магнитном поле электрон движется по прямой вдоль поля и по спирали в любом другом направлении.

Фотон большой длины волны и, значит, низкой энергии не способен разрешить структуру π-мезона — пары кварк—антикварк. Частицы, ускоренные в

Большом адронном коллайдере до огромных энергий, сталкиваются, порождая множество вторичных частиц — продуктов реакции. Среди них был обнаружен и бозон Хиггса, который физики надеялись отыскать без малого полвека.

Английский физик Питер В. Хиггс в начале 1960-х годов доказал, что в Стандартной модели элементарных частиц должен быть ещё один бозон — квант поля, которое создаёт массу у материи.

 

 

фоновое космическое излучение

ФОНОВОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение Вселенной, не искажённое ближайшими источниками (атмосферой Земли, излучением Галактикой т. п.).

Именно Фоновое космическое излучение должны были бы воспринимать приборы с широким полем зрения, вынесенные в пространство между галактиками. К сожалению, такой эксперимент невозможен. Астрономы изучают Ф. к. и., используя наземные и внеатмосферные приборы. В связи с этим отделение фонового компонента от диффузного (рассеянного) излучения локальной и галактической природы является трудной задачей.

Часто фоном называют все помехи, затрудняющие выделение сигнала от дискретного объекта: собственные шумы прибора, отчёты рентгеновских счётчиков, вызванные наличием космических лучей, диффузное излучение, попадающее в поле зрения прибора (в частности, это может быть и Ф. к. и. при наблюдении источников с малыми угловыми размерами), и т. п..  Следует подчеркнуть отличие Ф. к. и. от понятия фона в таком смысле.

По фоновому космическому излучению (см. Большой взрыв) мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте (как принято говорить, они были за пределами горизонта друг друга). Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие»? (https://ru.wikipedia.org/wiki/БольшойВзрыв).

(Тепловое равновесие поддерживается за счет точечного творения Вселенной в настоящее время. Творение систем локально, но общая картина приблизительно одинаковая.  Ибо наша Вселенная представляет собой одну из множества систем. И все творится одной энергией, называемой нами благодать. Если взять любую точку нашей Вселенной или других творений, то при всем разнообразии творения, общей для них будет благодать, творящая их. Процесс творения галактики или завершения, может начаться в любое время, но фазы творения могут быть очень многообразны – от нескольких мгновений до миллионов лет. То, что называется материей, может существовать в определенном тепловом диапазоне, этот диапазон сохраняется везде, где существует материя.

Но в принципе, возможно творение и не материи, тогда понятие «температура» не имеет смысла).

«Исследование Ф. к. и. представляет самостоятельный интерес, т. к. оно несёт информацию об излучении, заполняющем всю Вселенную, т. е. информацию о Вселенной в целом. Кроме того, Ф. к. и. может содержать излучение большого числа неразличимых в отдельности дискретных источников и измерение Ф. к. и. даёт некоторые оценки их свойств.

Исторически первой проблемой, связанной с Ф. к. и., была проблема яркости ночного неба в видимом диапазоне. В связи с ней был сформулирован простейший космологический тест, вошедший в историю науки под названием «парадокс Ольберса», или фотометрический парадокс: в бесконечной однородной стационарной Вселенной на любом луче зрения мы должны видеть поверхность звезды, т. е. всё небо должно иметь яркость, сравнимую с яркостью диска Солнца. Очевидно, что такая модель Вселенной находится в противоречии с нашим повседневным опытом – яркость ночного неба в видимом диапазоне весьма низка. Парадокс Ольберса разрешён в современных эволюционных моделях Вселенной. Галактики родились около 10 млрд. лет назад, плотность числа звёзд во Вселенной столь мала, что на космологическом горизонте (ct~10²⁸ см) доля неба, покрываемая звёздами, ничтожно мала. Кроме того, излучение звёзд на больших расстояниях из-за красного смещения сдвигается в ИК-диапазон и не даёт вклада в наблюдаемую яркость неба в видимом диапазоне.

Точное знание яркости ночного неба (а точнее, оптического Ф. к. и., интенсивность которого, как минимум, ещё в сто раз меньше яркости ночного неба, гл. вклад в которую дают свечение атмосферы, зодиакальный свет и свет звёзд Галактики) накладывает жёсткие ограничения на конкретные модели эволюции галактик, на продолжительность яркой фазы их эволюции на стадии «молодой галактики» и т. д.

Астрономов интересуют не только значение яркости неба в том или ином диапазоне длин волн электромагнитного спектра, но и угловые флуктуации интенсивности фонового излучения. В изотропно расширяющейся Вселенной фоновое излучение должно быть изотропным: его интенсивность не должна зависеть от направления. Изотропия истинного фона облегчает его отделение от локальных источников диффузного излучения. В то же время если основным источником фона является излучение дискретных источников, то на очень малых угловых размерах, когда в поле зрения прибора попадает в ср. порядка одного источника, интенсивность фона должна сильно флуктуировать при переходе от одной площади наблюдения на небе к другой. По этим флуктуациям можно судить о пространственном распределении источников, а также об их распределении по потоку.

Анализ природы Ф. к. и. показывает, что в большинстве диапазонов спектра его интенсивность определяется многочисленными далёкими дискретными источниками излучения. В ряде диапазонов Фоновое космическое излучение не связано с дискретными источниками. Его существование является либо свойством Вселенной как целого (т. н. реликтовое излучение), либо следствием присутствия в межгалактическом пространстве излучающего вещества (горячий межгалактический газ, космические лучи).

На рис. 1 и в табл. приводятся данные об измерениях и оценках интенсивности Ф. к. и.

Рис. 1. Спектр электромагнитного фонового излучения Вселенной. Сплошная линия-результаты наблюдений, штриховая-теоретические оценки; I_v в эрг (см^2.с^.Гц^.ср)^-1.

Выделение Фонового космического излучения на фоне излучения Галактики оказалось сложной задачей. На рис. 2 показано соотношение между диффузным излучением Галактики и Ф. к. и.

Лишь в оптическом и радиодиапазонах наблюдения Фоновое космическое излучение можно производить с поверхности Земли. Исследования в УФ-, рентг. и g-диапазонах спектра стали возможны только благодаря успехам внеатмосферной астрономии.

Радиодиапазон.

Д л и н н о в о л н о в о е  р а д и о и з л у ч е н и е (v<600 МГц; l>50 см).

Радиотелескопы принимают как Фоновое космическое излучение, так и синхротронное излучение релятивистских электронов в межзвёздной среде Галактики, что затрудняет выделение Ф. к. и.

Синхротронное излучение Галактики крайне неравномерно распределено по небу. Интерес представляет область на небе с минимально яркостной температурой Т_b, равной 80 К на частоте 178 МГц.

Ясно, что это верхний предел на яркостную температуру Ф. к. и. на этой частоте.

Выделить внегалактический компонент можно лишь в том случае, если спектр излучения Галактики отличается от спектра Ф. к. и.

К сожалению, они достаточно близки. Тщательный анализ показывает, что яркостная температура фона на частоте 178 МГц близка к 30 К, а спектральный индекс совпадает со ср. спектральным индексом излучения радиогалактик a= 0,75. Это позволяет найти яркостную температуру и интенсивность Ф. к. и. на любой длине волны в метровом диапазоне Т_b 30 (l/1,7м)^2,75 К, I_v = 3^.10^-19.(l/1,7м)^0,75 эрг (см^2.с^.Гц^.ср)^-1.

Совпадение спектральных индексов Фонового космического излучения и радиогалактик привело к предположению, что длинноволновое Фоновое космическое излучение представляет собой совокупное излучение далёких мощных дискретных источников радиоизлучения: радиогалактик и квазаров. Однако наблюдаемая в окрестности нашей Галактики пространственная плотность радиогалактик и их радиосветимость (см. Светимость) оказались недостаточными для объяснения интенсивности Фонового космического излучения».

(Интенсивность Фонового космического излучения складывается из слабых радиосигналов далеких радиоисточников, местных радиоисточников и за счет повсеместного творения энергии благодатью. То, что мы называем реликтовым излучением, в действительности представляет собой продукт повсеместной деятельности благодати ).

«В решении этого вопроса удалось продвинуться лишь после тщательных подсчётов слабых (и, следовательно, далёких) радиоисточников. Зависимость числа источников от потока оказалась существенно более крутой, чем ожидалось. Это говорит о том, что раньше, когда Вселенная была существенно моложе, мощных радиоисточников было намного больше, чем сейчас (точнее, было больше радиоисточников на данное число галактик). Имела место космологическая эволюция радиоисточников. Далёкие мощные радиогалактики и квазары наблюдаются сегодня как слабые радиоисточники. Оказалось, что именно эти многочисленные источники определяют Фоновое космическое излучение в области длинных радиоволн.

(Поток длинных радиоволн должен был неизбежно  растеряться и стать слабее за время нахождения в пути, и за счет столкновения с различными объектами, в течение 10 миллиардов лет, тогда как в действительности он почти равен местному потоку).

Рис. 2. Соотношение плотностей энергии фонового излучения Вселенной и диффузного излучения галактического происхождения; r в эВ/см³.

Измерения в сантиметровой и миллиметровой областях длин волн, проводившиеся с 1965, привели к обнаружению изотропного излучения, имеющего спектр абсолютно чёрного тела и температуру около 2,7 К. Это открытие, по-видимому, наиболее важное в космологии со времени установления Хаббла закона, подтвердило предложенную в 1948 Г. Гамовым горячей Вселенной теорию. Микроволновое Фоновое космическое излучение даёт главный вклад в плотность энергии и концентрацию фотонов Фонового космического излучения (подробнее см. Микроволновое фоновое излучение).

 

Для этого спектрального интервала определены лишь верхние пределы интенсивности Фонового космического излучения. Вообще, в ИК-диапазоне наблюдений очень мало, т. к. им сильно мешает поглощение и излучение молекул в верхней атмосфере (см. Прозрачность земной атмосферы). Наземные наблюдения в окнах прозрачности атмосферы возможны лишь при l<25 мкм. Наблюдение же космич. объектов в интервале 25 мкм < l < 200 мкм осуществляется с ракет, баллонов и высотных самолётов. Со спутника «ИРАС» (США, Великобритания, Нидерланды) обнаружено ок. 2,5•10⁵ ИК-источников. Готовится к запуску ряд др. ИК-обсерваторий на ИСЗ. Развитие техники наблюдений привело к обнаружению ИК-избытка в спектрах мн. дискретных источников.

Значительное число галактических объектов, включая некоторые типы звёзд, а также ряд планетарных и «инфракрасных» туманностей, оказались аномально яркими в ближнем (l>25 мкм) ИК-диапазоне.

В большинстве своём это холодные звёзды (конденсирующиеся протозвёзды и звёзды-гиганты) с температурой <2000 К или пылевые комплексы, переизлучающие УФ- и оптическое излучение расположенных в них горячих звёзд. Но светимость всех этих объектов не слишком велика, и суммарное излучение источников такого типа в других галактиках не может определять главный вклад в Фоновое космическое излучение.

Наблюдения внегалактических источников привели к неожиданным результатам: ядра многих активных галактик (см. Ядра галактик) и квазары излучают в ИК-диапазоне больше энергии, чем во всех других. Расчёты показали, что излучение именно этих объектов должно определять яркость неба в ИК-лучах. Ряд современных моделей образования галактик предсказывает яркую фазу на стадии активного звездообразования в «молодой галактике». Если эта фаза была на достаточно ранней стадии эволюции Вселенной (при красных смещениях z=5-10), то излучение этих объектов также должно давать вклад в Фоновое космическое излучение в ИК-лучах.

Чувствительность современных приборов недостаточна для непосредственного наблюдения инфракрасного Фонового космического излучения.

На рис. 1, 2 и в таблице приведены результаты теоретических оценок суммарного излучения квазаров и ядер галактик, основанные на данных наблюдений ИК-излучения индивидуальных источников и данных об их плотности во Вселенной.

 < 1 мкм). Для выделения видимого Фонового космического излучения из наблюдаемого диффузного излучения необходимо вычесть излучение относительно близких источников: эмиссию атмосферы, зодиакальный свет (свет Солнца, рассеянный на межпланетной пыли), интегральный свет звёзд Галактики. Эмиссия атмосферы становится несущественной при наблюдениях за пределами земной атмосферы. При наземных наблюдениях для её исключения вводят поправку, основанную на исследованиях пропускания атмосферы под разными углами к зениту. Вклад зодиакального света можно в принципе учесть, запуская космические аппараты перпендикулярно плоскости эклиптики на расстояние ~ 1 а. е., т. е. в область, где практически нет межпланетной пыли.

Другой, более доступный ныне путь состоит в использовании моделей свечения зодиакальной пыли, а также в наблюдениях видимого Ф. к. и. во фраунгоферовых линиях, где слабо излучение Солнца и поэтому ослаблен зодиакальный свет. Проводятся интенсивные исследования свойств зодиакального света с ракет и спутников с целью выделения видимого Ф. к. и.

Третий фактор можно оценить по ф-ции светимости и пространственному распределению звёзд в Галактике. Этот фактор вносит главную неопределённость при исследовании внегалактического компонента оптического свечения неба.

При наблюдениях с Земли не было найдено никаких следов изотропного видимого компонента Ф. к. и. Верхний предел оказался примерно в 100 раз меньше, чем полная наблюдаемая яркость неба в видимом диапазоне. Зная спектр излучения отдельных галактик, их плотность в пространстве и расстояния до галактик, можно рассчитать их интегральное излучение. При этом оказывается, что главный вклад в видимое Фоновое космическое излучение дают нормальные галактики (точнее, излучение входящих в них звёзд).

Следует также учесть, что если межгалактическое пространство заполнено звёздами, скоплениями звёзд или карликовыми галактиками, то их практически невозможно обнаружить при современном уровне техники наблюдений. В связи с этим вклад этих «светящихся» объектов в ср. плотность вещества во Вселенной неизвестен. Здесь оказываются полезными оценки верхнего предела интенсивности Фонового космического излучения в видимом диапазоне.

Если у этих невидимых объектов отношение масса — светимость такое же, как и для галактик в среднем, то, используя экспериментальные данные, можно показать, что масса светящихся тел во Вселенной мала для того, чтобы Вселенная была замкнутой (см. Космология).

Эту область спектра условно можно разделить на две части: первая доступна для наблюдений со спутников и ракет, вторая — принципиально недоступна для прямых наблюдений из Солнечной системы.

Д и а п а з о н,  д о с т у п н ы й  д л я  н а б л ю д е н и й Яркость неба в УФ-области спектра определяется излучением горячих звёзд нашей Галактики. Очевидно, что чем выше температура Т поверхности звезды, тем больше испускает она фотонов в УФ-диапазоне. Число же звёзд, имеющих данную температуру, быстро падает с ростом Т. Поэтому и суммарное излучение звёзд Галактики быстро падает с уменьшением длины волны.

Так, согласно измерениям на космических станциях «Венера», интегральная светимость нашей Галактики (без учёта неизвестного вклада её ядра) в полосе 1225- 1340 оценивается в 10⁴⁰-10⁴¹ эрг/с, что составляет лишь 10^-3-10^-4 её светимости в видимом диапазоне.

Поэтому ожидалось, что выделить внегалактический компонент в УФ-диапазоне будет легче, чем в видимом, и что он будет нести информацию в основном о незвёздных источниках — ядрах галактик, квазарах, межгалактическом газе. Правда, в доступный для наблюдений УФ-диапазон попадает также мощное излучение, обусловленное переизлучением межпланетным водородом линии L_a солнечного происхождения. Однако это излучение можно исключить фильтрами. Несмотря на все попытки, выделить метагалактическое УФ-излучение пока не удалось. Экспериментально установлены лишь верхние пределы его интенсивности (по минимуму наблюдаемой яркости неба и с точностью до вклада космических лучей в отсчёты приборов).

По аналогии с нашей Галактикой естественно было бы предположить, что все нормальные галактики мало излучают в УФ-лучах и что интенсивность этого компонента Фонового космического излучения мала. Однако неожиданно большой поток УФ-излучения был обнаружен из области ядра галактики МЗ1 (Туманность Андромеды) и от ряда других галактик. Важными источниками Ф. к. и. в УФ-диапазоне спектра, согласно наблюдениям со специализированных спутников, должны являться квазары.

Изучение ультрафиолетового Фонового космического излучения важно для определения количества и свойств горячего межгалактического газа, который, возможно, определяет плотность вещества во Вселенной. В частности, в полосу выделенную существующими фильтрами, попадает сдвинутая красным космологическим смещением линия излучения L_a самого распространённого во Вселенной элемента-водорода, если он находится на расстоянии, не превышающем 600 Мпк (при Хаббла постоянной

Отсутствие в спектрах далёких квазаров полосы поглощения, соответствующей L_a, говорит о ничтожной плотности нейтрального межгалактического водорода, т. е. о высокой степени ионизации межгалактического газа , где n_H и n_P-число атомов водорода и протонов в 1 см³ межгалактического пространства.

 

Диапазон,  н е д о с т у п н ы й  д л я  п р я м ы х  н а б л ю д е н и й .

Эта область спектра принципиально недоступна для прямых наблюдений из пределов Солнечной системы из-за поглощения фотонов УФ-излучения нейтральным межзвёздным водородом.

Существует лишь косвенный метод оценки интенсивности ионизующего Ф. к. и. Фоновое УФ-излучение должно создавать зоны ионизации водорода вокруг галактик, подобные зонам НII, существующим вокруг горячих звёзд.Очевидно, если бы уровень фона был очень высок, то фотоны УФ-диапазона могли бы ионизовать весь межзвёздный газ. В действительности радионаблюдения в радиолинии водорода 21 см привели к обнаружению нейтрального газа далеко за оптическими границами галактик. Плотность водорода там крайне мала, и тот факт, что он не ионизован, говорит о малой интенсивности ультрафиолетового Ф. к. и., его верхний предел в 100 раз ниже, чем в соседнем наблюдаемом диапазоне. Водород на периферии галактик оказался в 100 раз более чувствительным детектором, чем счётчики на спутниках и ракетах. Полученный предел не так уж низок: он соответствует 10000 ионизующих фотонов, падающих на 1 см² поверхности галактик в 1 с.

Рентгеновский диапазон  

Наблюдения с ракет, спутников и баллонов показали, что излучение в классической рентгеновской области в высокой степени изотропно, т. е. имеет внегалактическую природу.

Лишь в области мягких рентг. лучей (для фотонов с энергией e<250 эВ) обнаруживается сильная зависимость интенсивности диффузного излучения от галактич. координат. Спектр рентг. Ф. к. и. оказался степенным. Исследования практически всего неба при помощи приборов на спутниках позволили оценить амплитуду (<3%) мелкомасштабных угл. флуктуации рентг. Ф. к. и. Эти наблюдения важны для космологии: в принципе, наблюдения дипольной анизотропии рентг. фона позволят уточнить скорость движения Солнечной системы относительно системы координат, в к-рой изотропно фоновое излучение, создаваемое далёкими источниками. Наблюдения изотропии рентг. фона могут дать ценную информацию об однородности и изотропии Вселенной.

Главные источники рентгеновского Фонового космического излучения до сих пор неизвестны.

По-видимому, это ядра галактик, горячий межгалактический газ в скоплениях галактик и квазары (обычные галактики дают не более 1 % наблюдаемого рентгеновского фона).

При глубоких обзорах ряда площадок неба с Эйнштейновской рентг. обсерватории (со спутника ХЕАО-Б, США, 1978) на каждом квадратном градусе было обнаружено до десяти рентгеновских источников. Их детальный анализ в оптическом диапазоне показал, что 20-30% из них — это квазары, 20- 30%-далёкие галактики, 20-30%-звёзды нашей Галактики. Однако излучение этих объектов может обеспечить не более 50% интенсивности Ф. к. и. в рентгеновском диапазоне. Часть слабых рентгеновских источников не удаётся отождествить ни с оптическими, ни с радиообъектами. Планируются запуски рентгеновских спутников, которые должны будут снять карту всего неба в диапазоне от 0,5 до 1,5 кэВ и нанести на неё несколько сотен тысяч рентгеновских источников.

Происхождение рентгеновского Фонового космического излучения может быть связано с рассеянием низкочастотных фотонов на релятивистских электронах космических лучей (обратный Комптона эффект). При таком рассеянии энергия фотонов увеличивается во много раз, и они попадают в рентгеновский диапазон. В ядрах галактик, по-видимому, эффективно многократное комптоновское рассеяние на тепловых электронах, приводящее к формированию жёсткого рентгеновского излучения в горячей нерелятивистской максвелловской плазме. Другим важнейшим механизмом излучения рентгеновских фотонов является тормозное излучение горячего газа.

Как и рентг. излучение, g-излучение может возникать при обратном эффекте Комптона и как тормозное излучение релятивистских электронов при их взаимодействии с газом.

Помимо этого, g-фотоны могут рождаться и в других процессах. К ним относятся прежде всего столкновения протонов космических лучей с ядрами атомов межзвёздной среды, приводящие к рождению p⁰-мезонов; аннигиляция протонов и антипротонов, сопровождающаяся рождением и последующим распадом p⁰-мезонов на два g-фотона; кроме того, возбуждение нетепловыми частицами и последующее излучение ядер, аннигиляция электронов и позитронов. Т. к. сечения и вероятности всех этих процессов достаточно хорошо известны, теоретики заранее рассчитали ожидаемые потоки от дискретных источников g-излучения, поток у-излучения от плоскости нашей Галактики и оценили интенсивность фона g-излучения.

Вселенная прозрачна для жёсткого g-излучения вплоть до значений красного смещения z~100.

Поэтому по наблюдаемой интенсивности Фонового космического излучения можно сделать важный вывод о количестве антивещества во Вселенной: маловероятно, чтобы антивещества во Вселенной было бы столько же, сколько вещества (см. Барионная асимметрия Вселенной). Действительно, за время, соответствующее изменению z от 0 до 100 (за это время реликтовое излучение охлаждается примерно в 100 раз — от 300 К до 2,7 К), проаннигилировало не более одной миллионной доли вещества Вселенной. Иначе интенсивность фонового g-излучения намного превысила бы наблюдаемую. Можно ожидать, что высокая проникающая способность g-излучения сделает g-астрономию мощным орудием исследования эволюции Вселенной».

Лит.: Лонгейр М. С., Сюняев Р. А., Электромагнитное излучение во Вселенной, «УФН», 1971, т. 105, с. 41. Р. А. Сюняев.

 

 

 

 

Портал журнала «Наука и жизнь» © 2005–2014

АНО Редакция журнала «Наука и жизнь»

http://www.nkj.ru/

mail@nkj.ru

Телефон: +7 495 624-18-35

Факс: +7 495 625-05-90

Адрес: 101000 г. Москва, ул. Мясницкая, д. 24/7, стр.1