За визначенням, вакуум – найфундаментальніший із відомих тип фізичної реальності. Він є основою і передумовою існування безлічі фізичних явищ. Потенційно (віртуально) вакуум містить усілякі частинки і стани, які можуть з нього породитися за відповідних умов, але водночас актуально в ньому нічого немає. Відомо, проте, як можна "вивудити" пару "частинка-античастинка" з вакуумної безодні: для цього потрібно "мати" силове поле, завдяки енергії якого згадана пара одержує свої реальні маси. Є декілька незаперечних даних про дієвість фізичного вакууму як такого. Передусім це лембівське зміщення лінії в спектрі атома водню. Як виявили у 1947 р. Уїльям Лемб і Роберт Різерфорд (США)» стан 2S½ знаходиться вище, ніж 2P½, на величину ΔЕ = 1057,77 МГц (теоретичне – 1057,19 МГц). Це стало блискучим підтвердженням теорії Дірака про "реальність фону заповнених станів із Е < 0" і, отже, впливу флуктуацій цього нульового поля вакууму на електрон в атомі водню (Нобелівська премія 1955 р.). Другим свідченням є ефект Казимира, передбачений у 1948 р. нідерландським ученим Фендриком Казимиром і підтверджений експериментально через десять років. Йдеться про поляризацію вакууму квантованого поля, що виникає внаслідок зміни спектра нульових коливань при обмеженні об’єму квантування. Тож на одиницю площі двох провідних плоскопаралельних пластин, встановлених у вакуумі на взаємній відстані a діє сила притягання : оскільки тангенціальна складова електричного поля на пластинках рівна нулю, тому і змінюється спектр нульових коливань. Конкретно при S = 1см2, a = 0,5мкм F = 2·10–6H. Прийнявши факт реальності вакууму, звернемо увагу на таке. Із принципу невизначеності Гайзенберга випливає, що найнижча енергія квантово-механічного осцилятора (на відміну від класичного) не може бути рівною нулю, її найменше значення ħω/2. Інтегрування ж по всіх частотах ω веде до висновку, що енергія тут – безконечно велика. Щоправда, з міркувань фізичної осмисленості її обмежували значенням εpl. Питання це, багатократно підсилене наявністю різних класів частинок, і тепер остаточно не з’ясоване. З одного боку, завдяки розвитку ідей суперсиметрії, є твердження, за яким енергія бозонних нульових коливань в точності компенсується від’ємною енергією ферміонних нульових коливань. А отже, енергія вакууму мала б бути рівною нулю. Не виключене однак (див. А.Д. Долгов і ін., 1988), що оскільки маси бозонів і ферміонів різні, точного скорочений вакуумної енергії немає. Із розгляду всіх складових тензора імпульсу-енергії в рамках загальної теорії відносності випливає, що тиск pв у вакуумному середовищі від’ємний. І пов’язаний він із густиною енергії εв так: pв = – εв = – с2ρв (3.4) В земних умовах така екзотична ситуація (але в істотно меншому масштабі!) є в розтягнутому твердому тілі, а в рідині – якщо поверхневий натяг і зчеплення зі стінками перешкоджають формуванню міхурців. Із цього незвичайного зв’язку між тиском і густиною вакууму випливає, що незважаючи на роздування (!), густина енергії вакууму залишається незмінною: εв = const. Справді, відповідно до першого закону термодинаміки (закону збереження енергії) кількість переданої системі теплоти dQ витрачається на збільшення її внутрішньої енергії dE і роботу pdV, виконану при зміні об’єму системи V. Ці величини пов’язані співвідношенням dQ = dE + pdV. В даному випадку dQ = 0. А оскільки Е = εV, то з (3.4.) випливає, що dE = –pdV. Тому при р = –ε маємо d(εV) = ε(dV) =0 і dε = 0, тобто ε = const. Еволюція Всесвіту “автоматично” передбачає і розвиток речовини в ньому. І донедавна, як зауважив філософ М.П. Хван (2006 р.), його описувано в рамках філософії частинок як точкових об’єктів. Як вже знаємо, фізики зуміли передусім, ідучи “назад”, “від холодного до гарячого стану” (див. рис. 3.1), збудувати теорію, що об’єднала електромагнітну і слабку взаємодії. “Введено в дію“ три частинки – носії взаємодії, причому завчасно передбачивши їхні маси. Так же тріумфально здійснено розбудову квантової хромодинаміки. Але, якщо “усе з вакууму”, то звідки і як частинки отримують масу? Надіючись отримати відповідь на це питання, звертаємося до фундаментальної книги Гордона Кейна (1990 р., за наступні роки ситуація не стала істотно ліпшою). Тут не менше п’яти разів зустрічаємо таке: “Механізм появи ненульових мас... зветься механізмом Гіґса. Математично він ясний, але фізичний його смисл все ще незрозумілий…” (с. 20). Або ж – “причини появи мас електрослабких частинок ще не з’ясовані” (с. 267). Як також: “Незрозумілою є фізика гіґсового механізму в стандартній моделі. Це головна проблема, з якою зіткнулася сучасна фізика елементарних частинок. гіґсів механізм входить істотною частиною до стандартної моделі, але пропоноване ним вирішення проблеми мас..., очевидно, найімовірніше є проміжним етапом на шляху до нової фізичної теорії” (с. 286). Стурбованість багатьох фізиків щодо цього висловив недавно С. Вайнберг ("Світ фізики", 2004, № 4): “Завершити Стандартну модель вдалося б, підтвердивши існування скалярних полів,... а це означає – зареєструвати бозони Гіґса!.. Буде катастрофа, якщо до 2020 р. їх не знайдуть! Бо ж немає ключа до розуміння типових енергій, їх ієрархій”. Напевне, все з’ясується у теорії суперструн. “Та доки цього не зроблено”, зупинимося на одному з варіантів опису ролі поля Гіґса у породженні надважних X- та Y-бозонів (і відповідних античастинок), що мали б мати дробовий електричний заряд ( де e – заряд електрона). “Стартовим” є стан Великого Об’єднання (ВО) – нерозрізнянності трьох взаємодій (електромагнітної, слабкої і сильної). Отже, приймають, що потенціальна енергія взаємодії частинок ЕП «регулюється» особливим скалярним полем Гіґса (а точніше, полями Гіґса, введеними в квантову теорію поля 1964 р. англійським фізиком П. Гіґсом). Взаємодіючи з елементарними частинками, поля Гіґса і породжують їхню масу, яка тим більша, чим сильніша взаємодія поля з частинкою. Кажуть, що частинки одержують масу, «проковтуючи» бозони Гіґса – «згустки» полів Гіґса. Цей механізм порівнюють із поглинанням чорнила промокаткою, де шматочки паперу – це окремі частинки, а чорнило – енергія поля Гіґса. Залежність же потенціальної енергії взаємодії частинок від величини поля φ (скажемо умовно – від «напруженості» поля φ) зі зменшенням температури змінюється складним чином, як це показано на рис. 3.2. Тим самим скалярні поля Гіґса виконують роль «спускових гачків», стимулюючих у певні моменти порушення симетрії фізичних станів, тобто відщеплювання спочатку сильної, а потім слабкої взаємодій. Отже, у рамках Стандартної моделі було прийнято, що початковим станом еволюції речовини є вакуум, що спочатку температура T > TBO і що в подальшому вона різко зменшується. Знайдено, що при зменшенні температури до Т ~ Тво ~ 1030 К стійкість системи порушується, її властивості змінюються, з’являється бозе-конденсат Гіґса (реалізується фазовий перехід), Х- та Y-бозони набувають маси і сильна взаємодія відщеплюється. Як тільки температура стану зменшиться до величини Т < Тво, поле Гіґса еволюціонує таким чином, що при деякому його значенні φ0 потенціальна енергія взаємодії частинок має якнайменше, близьке до нуля значення, відповідне справжньому вакууму. Перехід системи до цього нового стану супроводжується народженням величезного числа частинок і античастинок (їх переходом з віртуального в актуальний стан), а внаслідок їх анігіляції і розпадів – виділенням величезної кількості енергії. Другий раз поле Гіґса діє як «спусковий гачок», приводячи до порушення симетрії при t = 10-10c (що відповідає температурі Т = 1015K). Тепер відбувається розділення слабкої і електромагнітної взаємодій. І знову, «проковтуючи бозони Гіґса», тепер уже лептони і кварки набувають своїх мас. На основі описаного тут сценарію і було розроблено уявлення про зміну фізичного стану, зокрема, – про народження частинок із вакууму на заключній стадії роздування Всесвіту. Народження частинок із вакууму, що відбувається упродовж фази роздування, і пов’язане з цим звільнення енергії майже повністю компенсовує сам ефект роздування, унаслідок якого температура повинна була б різко зменшуватися. Роздування продовжується від t = 10-43c до 10-35c. І у всьому цьому інтервалі часу температура системи виявляється майже однаковою. До моменту переходу Всесвіту на режим розширення вона якраз фантастично висока – порядку 1027K: на ранньому етапі свого розвитку тепер уже в рамках стандартної моделі Всесвіт був справді дуже гарячим. Калейдоскоп процесів, що відбувалися у Всесвіті з моменту його «виходу з піни» представлений на рис. 3.3. Відзначимо, що багато що зі сказаного тут – усього лише «вкрай полегшена схема». Труднощів перед дослідниками тут ще дуже багато. Чого коштує, наприклад, такий вислів М. Вельтмана: «...будується яка-небудь витончена теорія, потім в неї включається поле Гіґса і вся будова руйнується»... Ну, і, звичайно, виникає природне питання: «а що-було до моменту часу t = 10-43c?» Поки що фізика відповідає так: «на цьому рубежі безперервний потік часу обривається”. Як образно висловився І.Д. Новиков, «річка часу дробиться тут на неподільні краплі»... Фізика процесів, які розгортаються на ранній стадії еволюції, як також проблеми баріосинтезу та баріонної асиметрії Всесвіту детально розглянуті у монографії М.Ю. Хлопова (2004 р.).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Вакуум, поле й бозони Гіґса» з дисципліни «Фрагменти космології»
