В этой статье, адаптированной из его новой книги «Волны в невозможном море», физик Мэтт Страсслер объясняет, что происхождение массы во Вселенной во многом связано с музыкой. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году подтвердило то, что мы, физики элементарных частиц, давно подозревали: существует поле, пронизывающее космос, которое порождает массы элементарных частиц. К сожалению, физикам оказалось непросто объяснить всем, как это так называемое поле Хиггса выполняет свою грандиозную задачу.
Распространенный подход заключается в том, чтобы рассказать небылицу. Вот один из вариантов:
Существует некое вещество, похожее на суп, которое заполняет Вселенную; это поле Хиггса. Когда частицы движутся сквозь него, этот суп замедляет их, и именно так частицы обретают массу.
В других версиях поле Хиггса изображается как нечто похожее на патоку, заросли, толпу людей или снежное полотно.
Однако все подобные истории противоречат тому, чему нас, физиков, учат на первых курсах университетских дисциплин. Предполагая, что поле Хиггса создает массу за счет сопротивления воздуха, они нарушают как первый, так и второй законы движения Ньютона. Среди прочих катастроф, это сопротивление воздуха давно бы привело к тому, что Земля по спирали приблизилась бы к Солнцу. Более того, если бы поле Хиггса действительно было субстанцией, оно обеспечило бы точку сравнения, относительно которой мы могли бы измерять наше абсолютное движение, что противоречит принципам относительности Галилео и Эйнштейна.
На самом деле, поле Хиггса не имеет никакого отношения к движению или замедлению. Вместо этого, его история связана исключительно с вибрацией.
Квантовая теория поля, мощная основа современной физики элементарных частиц, утверждает, что Вселенная заполнена полями. Примерами являются электромагнитное поле, гравитационное поле и само поле Хиггса. Каждому полю соответствует свой тип частиц, которые лучше всего понимать как небольшую рябь в этом поле. Рябь электромагнитного поля — это световые волны, а самые слабые ряби — это частицы света, которые мы называем фотонами. Аналогично, электроны — это рябь в электронном поле, а бозон Хиггса — это минимальная рябь в поле Хиггса.
Неподвижный электрон, подобно вибрации гитарной струны, представляет собой стоячую волну, которая вибрирует с заданной частотой, известной как резонансная частота. Такие резонансные колебания распространены и хорошо известны. Поскольку щипковая гитарная струна постоянно звенит на своей резонансной частоте, она всегда издает один и тот же звук. Аналогично, фиксированная частота колебаний маятника делает его эффективными часами. По тому же принципу каждый неподвижный электрон вибрирует с резонансной частотой электронного поля.
Большинство полей Вселенной имеют резонансные частоты. В некотором смысле, космос отдаленно напоминает музыкальный инструмент; и то, и другое имеет характерные частоты, на которых они наиболее легко вибрируют.
Лично для меня тот факт, что резонанс лежит в основе реальности, является источником восторга и изумления. Как музыкант-любитель и композитор с многолетним стажем, я давно понимаю внутреннее устройство фортепиано, кларнета и гитары. Но я был совершенно поражен, узнав еще будучи аспирантом, что структуры Вселенной, даже внутри моего собственного тела, функционируют по схожим принципам.
Однако эта тайная музыкальность нашего космоса была бы невозможна, если бы не поле Хиггса.
В квантовой теории поля сочетание квантовой физики и теории относительности Эйнштейна приводит к важнейшему соотношению между резонансной частотой и массой элементарной частицы: чем быстрее вибрирует неподвижная частица, тем больше её масса. Поля, не имеющие резонансной частоты, соответствуют частицам, не имеющим массы; такие частицы, включая фотоны электромагнитного поля, никогда не могут быть неподвижными.
Хотя мифы о бозоне Хиггса предполагают, что масса возникает из-за замедления элементарных частиц веществом, подобным патоке, на самом деле более сильное поле Хиггса заставляет элементарные частицы вибрировать на более высоких частотах, тем самым увеличивая их массу. Поэтому поле Хиггса можно рассматривать как своего рода космический фактор, повышающий жесткость, роль которого заключается в увеличении резонансных частот других полей.
Как возможно, чтобы одно поле изменяло частоту другого? Простой маятник служит нам наглядным примером.
Представьте, что вы поместили мяч на конец нити в глубокий космос, где гравитационное поле практически равно нулю. Мяч будет бесцельно парить. Если вы слегка толкнете его, его положение может медленно измениться, но он не будет вибрировать.
Однако, если поместить самодельный маятник в ненулевое гравитационное поле, все изменится. Шарик будет висеть вертикально вниз и, если его потревожить, начнет качаться.
В неподвижном состоянии мяч находится в равновесии — стабилен, сбалансирован и не имеет причин для движения. Если мяч сместить вправо, сила тяжести заставит его отклониться влево, и наоборот. Именно стремление мяча вернуться в точку равновесия, известное как восстанавливающий эффект, заставляет его колебаться.
В данном случае гравитационное поле действует как фактор, повышающий жесткость: оно делает маятник более жестким, тем самым придавая ему ненулевую резонансную частоту. Чем сильнее гравитационное поле, тем мощнее восстанавливающий эффект и тем выше резонансная частота маятника.
Аналогично, поле Хиггса создает восстанавливающий эффект на другие элементарные поля, изменяя характер их колебаний. Хотя любое поле может иметь распространяющиеся рябь, подобные тем, что пересекают пруд, восстанавливающий эффект позволяет полю иметь стационарную рябь — стоячие волны, похожие на те, что возникают на гитарной струне. Как я уже упоминал, эти стоячие волны — не что иное, как неподвижные элементарные частицы, рябящие в своих полях.
Эта идея лежит в основе того, на что указали покойный британский физик Питер Хиггс, в честь которого названо поле Хиггса, и его конкуренты в 1960-х годах: одно поле может усиливать другие поля, позволяя их ряби вибрировать на месте с резонансной частотой и, таким образом, придавая их частицам массу. Экспериментальные исследования бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере подтверждают, что именно это и делает поле Хиггса. Используя математику Стандартной модели физики элементарных частиц — квантовую теорию поля, описывающую все известные элементарные частицы и взаимодействия между полями Вселенной, — ученые делают предсказания поведения бозона Хиггса, которые точно соответствуют экспериментам. Нет сомнений: поле Хиггса оказывает восстанавливающее воздействие на многие другие поля.
Итак, с этим более глубоким пониманием поля Хиггса, позвольте мне предложить другую историю:
Давным-давно возникла Вселенная. Раскаленная до предела, она кишела элементарными частицами. Среди её полей было поле Хиггса, первоначально выключенное. Но по мере расширения и охлаждения Вселенной поле Хиггса внезапно включилось, обретя ненулевую силу. В результате многие поля стали жёсткими, и их частицы приобрели резонансные частоты и массу. Так Вселенная, под влиянием поля Хиггса, превратилась в квантовый музыкальный инструмент, каким она является сегодня.
Источник: www.quantamagazine.org
