Погрузимся в загадочный мир субатомных сил и раскроем, почему электромагнетизм и слабое взаимодействие, вопреки их общему происхождению от электрослабой силы, демонстрируют различные частицы-посредники. Это сравнимо с наблюдением за естественными превращениями в нашей повседневной жизни. Возьмём, к примеру, атмосферные явления.
Электрослабое взаимодействие было впервые описано в работах физиков Шелдона Глэшоу, Абдуса Салама и Стивена Вайнберга. Они разработали теорию, которая объединяет электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие при высоких энергиях в рамках одной силы, и за это открытие им в 1979 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Представьте обычный летний день, когда жара сгущается вокруг вас, и воздух наполнен влагой. В этот момент воздушная смесь и водяной пар неотличимы друг от друга — они представляют единое целое. Но когда приходит прохлада, водяной пар конденсируется, и начинается дождь. Вдруг ясно видна разница: что раньше было единым, теперь разделилось на воду и воздух.
Переходя к квантовой физике, мы сталкиваемся с аналогичной трансформацией. При определенно высоких энергиях, таких как те, что были во Вселенной непосредственно после Большого взрыва, электромагнитные и слабые взаимодействия не имеют различий. Они объединены в одну электрослабую силу, где частицы-переносчики безмассовы и не имеют электрического заряда, образуя симметричную систему.
В этой электрослабой эре действуют два вида частиц-переносчиков: синглет, известный как B-бозон, и триплет W-бозонов, обозначаемых как W1, W2 и W3. В рамках этого первозданного сценария эти частицы функционируют без различия массы и заряда, обеспечивая силы, которые мы в нынешние времена воспринимаем как отдельные — электромагнитную и слабую.
Но как только Вселенная остыла и энергия снизилась, произошёл фазовый переход, подобный конденсации водяного пара. Электрослабая симметрия нарушилась. Это нарушение привело к появлению массы у ранее безмассовых W и Z бозонов — частиц-переносчиков слабого взаимодействия, в то время как фотон, переносчик электромагнетизма, остался безмассовым.
Таким образом, хотя в начале времён электромагнетизм и слабая сила были неразличимы, как влага в воздухе летнего дня, с понижением энергии Вселенной они разделились, как вода и воздух в прохладном вечернем бризе, и продолжают существовать отдельно в более низкоэнергетическом мире, который мы наблюдаем вокруг себя.
Давайте погружаться в удивительный процесс, который разгорается в недрах фундаментальной физики, происходя при остывании Вселенной от её первозданного жара. Ведь именно температура играет ключевую роль в танце элементарных частиц и поля Хиггса, этого невидимого дирижёра массы.
Итак, нашу историю начнём в условиях, где царит неимоверная жара, настолько интенсивная, что поле Хиггса — краеугольный камень нашей физической реальности — оказывается обнулённым. Вообразите жаркий летний день, когда температура настолько высока, что воздух становится мерцающим от жары, и его присутствие едва ощутимо.
Но вот приходит изменение, атмосфера начинает остывать. Изначально это остывание не вносит видимых изменений, как тихий ветерок, который едва уловим. Однако существует момент, подобный "точке росы", когда воздух уже не в силах удержать в себе водяные пары, и наступает конденсация.
В мире элементарных частиц такая "точка росы" наступает при особой температуре, когда условия Вселенной изменяются коренным образом. Это тот переломный момент, когда поле Хиггса будто пробуждается от своего нулевого состояния и обретает силу, меняя всё вокруг.
И в этот момент происходит настоящее волшебство: частицы B и W, плававшие в первичном "воздухе" без веса и обязанностей, внезапно сталкиваются с новой реальностью. Они начинают взаимодействовать с полем Хиггса, и именно это взаимодействие одаривает некоторые из них массой, тем самым превращая их в тяжёлые W и Z бозоны, в то время другие, как фотон, остаются лёгкими и свободными от массы.
Да, в этом рассказе мы пропускаем множество сложностей, оставляем за кулисами некоторые запутанные квантовые явления. Но ключевая идея вот в чём: те частицы, которые когда-то были едины в безмассовом танце выше "волшебной температуры", ниже неё начинают разделяться на безмассовые и массовые, образуя узнаваемую палитру фундаментальных сил, которые определяют структуру и поведение материи, известную нам сегодня.
Эта "волшебная температура" относится к критической точке в ранней Вселенной, в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. При этой очень высокой температуре, в условиях ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, поле Хиггса не имеет своего сегодняшнего "вакуумного ожидания" и соответственно не придает массу частицам.
В физике элементарных частиц, температура — это мера средней кинетической энергии частиц, и в контексте ранней Вселенной она была настолько высокой, что частицы (включая бозоны W и Z, а также фотоны) вели себя как если бы они были безмассовыми. При таких энергиях электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие были объединены в единую электрослабую силу.
Когда Вселенная расширялась и остывала, её температура понижалась, и когда она достигла определенной критической точки (эта "волшебная температура"), поле Хиггса приобрело ненулевое вакуумное ожидание. Это привело к нарушению электрослабой симметрии и присвоению массы бозонам W и Z через механизм Хиггса, в то время как фотоны остались безмассовыми. Этот процесс также известен как спонтанное нарушение симметрии, и он сыграл решающую роль в формировании Вселенной, какой мы её знаем, с отдельными силами — слабым ядерным взаимодействием и электромагнетизмом.
Конкретное числовое значение этой температуры — это вопрос сложных расчетов в квантовой теории поля, но она определенно на порядки выше, чем температуры, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни или даже достигать в современных ускорителях частиц.
Если вам было интересно узнать о том, как электромагнетизм и слабое взаимодействие, стартовав вместе, пошли разными путями, не забудьте подписаться на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации. Ваши лайки и подписки помогают нам расти и создавать ещё больше интересного и полезного контента для вас. Спасибо за внимание и до новых встреч в мире науки!