В 2012 году мы совершили удивительное открытие - обнаружили бозон Хиггса. Недавно в новостях я читал много историй о нем, в том числе и те, что появлялись на сайте ЦЕРНа. Но мне кажется, что общественности не хватает контекста, чтобы понять, какое это было глубокое открытие. Я удивлен, что в новостях его описывают просто как еще одну частицу - для меня Хиггс не просто частица, а нечто уникальное. Его никогда раньше не видели. Многие называют его частицей Бога, что вызывает некоторые опасения, но на мой взгляд это ближе к истине. Мы же знаем, что за 40 лет физики создали две важные теории, Стандартную модель и Общую теорию относительности, в которых собрали все знания о физическом мире.
Альберт Эйнштейн был единственным создателем Общей теории относительности. Степень изгибания света вокруг Солнца, измеренная Эддингтоном, подтвердила точность предсказаний ОТО, но Эйнштейн не торопился читать полученную телеграмму. Его жена спросила, не интересен ли ему результат. Он ответил, что результат либо доказывает его правоту, либо указывает на ошибку Бога при создании Вселенной. Конечно, оказалось, что Эйнштейн был прав - ОТО стала, вероятно, величайшим интеллектуальным достижением в истории человечества. Она предсказала возмущение орбит вокруг звезд, замедление времени, черные дыры и некоторые другие необычные факты, не описываемые нашим опытом. Тем не менее, квантовая механика, которая легла в основу Стандартной модели, задала вопросы еще и самому Эйнштейну, несмотря на то, что он помог ее создать.
Прежде чем мы начнем говорить о Хиггсе, важно понимать основы стандартной модели (СМ). Мы должны заглянуть в прошлое Вселенной, чтобы лучше понимать природу СМ. Это позволяет нам погрузиться в космологию - одну из областей физики. Многие ученые считают, что нашу Вселенную можно представить как производное от Большого взрыва. Есть доказательства, подтверждающие, что это произошло около 13,7 миллиардов лет назад. В период Большого взрыва Вселенная была горячей и заполнена энергией и субатомными частицами. Тогда мы полагали, что существует только одна сила, а не четыре, с которыми мы сталкиваемся сегодня. Святой Грааль физики заключается в том, чтобы объединить все четыре силы в одной теории, которая поможет нам понять, как эти единой силой располагалась в прошлом и как они выросли в те четыре силы, которые мы видим сегодня. Это называется Великой объединенной теорией и объединило бы стандартную модель и общую теорию относительности, созданную Эйнштейном.
Стандартная модель - это научная теория, которая объясняет, как взаимодействуют известные частицы в наименьших измеримых масштабах и объединяет три из четырех физических сил, которые составляют общую сумму физических взаимодействий, известных человечеству. Три объединенные силы - электромагнитная сила, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие - играют ключевую роль в нашем макроскопическом мире, контролируя химические реакции, радиоактивность и удержание ядер атомов вместе. Объединение этих сил дает нам понимание того, что они на самом деле являются только одной силой за пределами определенного энергетического масштаба. Стандартная модель является одной из наиболее проверенных теорий в истории науки и предсказала существование трех векторных бозонов электрослабой частицы: W +, W- и Z0. Единственная сила, не объединенная в стандартной модели, - это гравитация.
Переходя к Хиггсу, важно отметить, что изначально он был математической концепцией в рамках стандартной модели. Остальные компоненты СМ были устойчиво связаны структурой теории, что позволяло природным образом получать массы частиц. Однако, оказалось, что в СМ нет никакого механизма, который бы учитывал массы в естественный способ. Да, все частицы, составляющие СМ, имеют массу, но эта масса была введена вручную, чтобы соответствовать экспериментальным данным. Цель же любой теории - глубокое понимание того, почему реальность выглядит так, как она есть. Это то, что делает теорию действительно ценной. В этом смысле, добавление механизма Хиггса в СМ настоящее достижение, которое вносит новый уровень понимания в нашу модель реальности. Механизм Хиггса объясняет происхождение массы - что, кстати, связано с определением материи, которую мы изучали в начальной школе: материя - это то, что имеет массу и занимает пространство. Следовательно, масса и материя - это два термина, связанных между собой и являющихся фундаментальными элементами нашей сущности.
Давайте проанализируем это глубже, чтобы понять, что на самом деле здесь происходит. Все взаимодействия в космосе связаны с силовыми полями. Но что же такое силовое поле? Представьте текущий источник силы и все пространство, в котором он существует. Наблюдаемую силу мы изучаем, используя пробную частицу, которая может чувствовать силу, но не сильно ее искажать. Мы называем такую частицу "пробной". Медленно перемещая ее в разные точки пространства, мы можем измерить влияние силы на нее. Множество сил и направлений взаимодействия в каждой точке пространства называется "силовым полем". Это поле связано с частицей, которая передает это взаимодействие от источника до пробной частицы.
Важно также знать, что частицы, которые передают силы, имеют определенную природу. Фотон, например, является частицей света и передает электромагнитную силу. Любая частица с электрическим зарядом является источником электромагнитной силы, которая передается фотоном. Фотон безмассовый и не несет никакой энергии покоя. Если промежуточная частица тяжелее, то она быстрее распадается на другое из-за естественного стремления природы к минимальной энергии. Фотон не распадается, и диапазон силы, которую он имеет, бесконечен. Поэтому мы можем наблюдать свет и другие видимые волны, которые могут исходить от источников, даже если они были в начале Вселенной. Однако, когда мы наблюдаем удаленные источники света или другого без массового излучения, мы замечаем, что они движутся от нас с высокой скоростью и их длина волны становится все длиннее и длиннее из-за эффекта Доплера. Когда длина волны становится бесконечной, вся информация теряется, и это определяет границу наблюдаемой Вселенной. Это связано с темной энергией, которая ускоряет расширение Вселенной.
SM - это квантовая теория поля, где каждая частица представляет собой возбуждение поля, связанного с этой частицей. Фотоны, заряженные бозоны W и Z и электрослабые заряды - примеры таких полей. Бозон Хиггса, тяжелая промежуточная частица, передает силу Хиггса. Масса бозона Хиггса составляет около 125 ГэВ. Сила Хиггса навсегда придает каждой частице во Вселенной массу, но источник заряда Хиггса неизвестен. Поле Хиггса пронизывает пространство без возбужденного источника заряда Хиггса, что напоминает постулат о коллапсе в квантовой механике.
На текущий момент имеется несколько теорий относительно Великого Объединения. Особое внимание уделяется силовому полю Хиггса и тому, как оно генерирует массу, что можно описать математически очень точно. Самое важное свойство поля Хиггса - это его отличие от любого другого поля. Оно имеет "ненулевое ожидаемое значение вакуума", что означает, что в вакууме вероятность нахождения поля Хиггса и частицы Хиггса не равна нулю. Этот факт подтверждает, что все материальные объекты взаимодействуют с полем Хиггса, что является неотъемлемым свойством пространства, которое придает массу всем безмассовым частицам. Именно так можно объяснить происхождение реальности в окружающем мире. В июле 2012 года было обнаружено существование частицы Бога, что невероятно важно для понимания структуры вселенной. Если вы еще не впечатлены этим открытием, то я не знаю, что еще может вас удивить!