Квантовая природа Вселенной все портит.
«То, что мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, подвергнутая нашему методу вопрошания». - Вернер Гейзенберг
Когда вы думаете о Вселенной в глобальном масштабе, вы можете думать об очень больших (таких как звезды, галактики или скопления галактик), очень маленьких (таких как клетки, молекулы или отдельные атомы)), или где-то посередине. Вселенная, как вы хорошо знаете, охватывает все.
Но на фундаментальном уровне одна из величайших вещей в этом состоит в том, что все они состоят из одного и того же материала, в том смысле, что строительные блоки всех форм материи - одни и те же несколько фундаментальных частиц. Если мы готовы игнорировать темную материю, чем бы она ни была, мы говорим лишь о небольшой таблице фундаментальных частиц: тех, что входят в Стандартную модель элементарных частиц.
Большинство этих частиц, однако, нелегко найти в природе. Конечно, есть нейтрино, электроны и фотон, которые мы можем наблюдать по отдельности, а верхние и нижние кварки (вместе с глюонами) составляют протоны, нейтроны и атомные ядра; они достаточно распространены. Но подавляющее большинство частиц Стандартной модели, включая все более тяжелые кварки, мюон и тау, а также бозоны W и Z, принципиально нестабильны. Как оказалось, их продолжительность жизни не только конечна, но и крошечна по сравнению с нашим макроскопическим миром. Позвольте мне объяснить, и давайте начнем с явления, о котором вы слышали раньше: радиоактивности.
Возможно, вы знакомы с радиоактивным распадом и тем фактом, что тяжелые и нестабильные элементы могут распадаться на более легкие. Некоторые из этих распадов происходят быстро, занимая менее секунды, в то время как другие могут занимать миллиарды лет. (С некоторыми ультраредкими распадами, в миллиарды раз превышающими нынешний возраст Вселенной.) превращение одного или двух нижних кварков в (чуть более легкие) верхние кварки. Это занимает много времени, потому что обмен частицами, который позволяет этому произойти, представляет собой распад слабого взаимодействия, опосредованный очень тяжелой частицей (W-бозоном).
Как это работает?
Допустим, у вас есть нейтрон, набор из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. При среднем времени жизни около 15 минут нейтроны распадаются на протоны, которые представляют собой два верхних кварка и один нижний кварк. Мы склонны измерять ядерную энергию в единицах МэВ (мегаэлектрон-вольт или один миллион электрон-вольт), а разница масс между нейтроном и протоном составляет немногим более 1 МэВ. [Все массы даны в натуральных единицах без учёта скорости света (c).]
С другой стороны, взаимодействие, вызывающее распад, представляет собой преобразование нижнего кварка в верхний кварк плюс пару электрон/антинейтрино, что требует наличия W-бозона. Но у этих частиц недостаточно энергии, чтобы создать W-бозон; масса W-бозона где-то около 80 ГэВ, или 80 000 МэВ! Чтобы этот радиоактивный распад продолжался, он зависит от наличия квантовой флуктуации, которая позволяет этому произойти, что происходит очень редко из-за огромного отношения массы протона/нейтрона к массе W-бозона.
Но ни одна из нестабильных элементарных частиц не имеет такой малой разности масс. Мюон - следующая по продолжительности жизни частица (после нейтрона), но разница масс между ним и электроном составляет немногим более 100 МэВ, а время его жизни - всего 2,2 микросекунды. Когда я говорю «относительно короткое время», фундаментальные частицы живут где-то от 10^(-6) секунд до ужасающих 10^(-25) секунд!
Как оказалось, эти короткие времена жизни имеют огромное значение для очень специфического фундаментального свойства этих частиц: их массы..
Возможно, вы слышали о принципе неопределенности Гейзенберга, и он не имеет ничего общего с учителем химии из «Во все тяжкие». Чаще всего известно в виде шутки:
Гейзенберг едет в своей машине, когда видит позади себя мигалки полицейской машины. Он останавливается, и офицер подходит к нему
Офицер: «Вы знаете, как быстро вы ехали?»
Гейзенберг: «Нет, но я точно знаю, где я!»
Это потому, что существует внутреннее напряжение - неопределенность - между одновременным знанием (или измерением) положения и импульса любой системы во Вселенной. Чем лучше вы знаете (или измеряете) положение частицы, тем большую неопределенность она вносит в импульс этой частицы!
Менее известен, но не менее важен анекдот, который немного голубее:
Гейзенберг оказывается на парной терапии со своей женой. Терапевт спрашивает его, в чем проблема, но он слишком смущен, чтобы ответить. Так…
Терапевт: «Миссис. Гейзенберг, что происходит дома».
Миссис. Гейзенберг (вздыхая): «Всякий раз, когда у него есть время, у него нет энергии. И всякий раз, когда у него есть энергия, у него нет времени!»
Это потому, что между энергией и временем существует то же внутреннее напряжение и неопределенность, что и между положением и импульсом! Таким образом, если у вас есть очень небольшая неопределенность во временной шкале конкретной системы, должна существовать очень большая неопределенность в отношении энергии.
Подумайте об этом с точки зрения времени жизни частицы. Если частица стабильно (или квазистабильно) существует в течение очень длительного периода времени, ее энергетическая неопределенность может быть очень мала. Но как насчет короткоживущей и очень нестабильной частицы? Его энергетическая неопределенность должна быть огромной, чтобы ее компенсировать; Гейзенберг требует этого.
А теперь самое интересное: если существует большая неопределенность в собственной энергии частицы, и мы знаем, что существует эквивалентность энергии и массы через E=mc^2, то чем короче время жизни частицы, тем менее известна может быть его масса даже в принципе!
Когда мы создаем очень короткоживущие частицы, такие как W- или Z-бозон, топ-кварк или бозон Хиггса, мы можем знать, какова будет в среднем ее масса, но любая отдельная частица созданный будет иметь диапазон масс, которые он может принять. Другими словами, когда мы говорим, что «масса этой частицы составляет 91,187 ГэВ» (например, для Z-бозона), мы говорим, что это среднее значение массы, которое имеют все Z-бозоны, но любая отдельная частица будет значительно различаются!
Вот почему даже сегодня очень трудно узнать среднюю массу бозона Хиггса, топ-кварка или W-бозона с точностью до трех или четырех значащих цифр; даже несколько хороших, чистых событий не скажут нам ничего, кроме диапазона. Вот почему нестабильные частицы имеют не только массу как фундаментальное свойство, но и ширину, которая представляет присущую их массе квантовую неопределенность. Хотите верьте, хотите нет, но впервые это было разработано еще в 1936 году!
Это может не объяснить загадку того, почему весы показывают, что сегодня я на пять фунтов тяжелее, чем вчера, но это говорит нам нечто удивительное о Вселенной: что для нестабильных частиц даже свойство так же фундаментально, как масса частицы, неизбежно, существенно и по своей природе изменчива. И всем этим мы обязаны неизбежной квантовой природе Вселенной!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.