Как представить поле Хиггса просто и откуда всё-таки появляется масса тела?⁠⁠

Скорее всего вы слышали, что масса появляется у физического тела в результате его взаимодействия с полем Хиггса. Не так давно все радовались, что удалось обнаружить бозон, который является экспериментальным подтверждением существования такого поля.

Но что это за такое "волшебное поле"? И какое такое взаимодействие должно произойти?

Зачем нужно поле Хиггса?

Поле Хиггса является одним из полей Стандартной модели физики элементарных частиц. И тут полезно начать с краткого исторического очерка.

Стандартная модель физики хорошо работает, особенно в ранние моменты Вселенной, только в том случае, если все частицы, включая электроны и кварки, имеют нулевую массу покоя. Очевидно, что это не так, так почему же это успешная теория?

Потому что на момент формулирования мысли были придуманы очередные костыли, которые (о чудо) нашли своё подтверждение.

Даже частицы с нулевой массой покоя будут вести себя так, как если бы у них была масса покоя, если они движутся через всепроникающее поле, заполняющее все пространство.

Природа этой области была описана Энглертом, Питером Хиггсом и другими. Это должно быть очень простое поле. И это поле, которое когда-то могло быть нулевым, но из-за неустойчивости (аналогично объекту, тщательно уравновешенному на точке) оно быстро приобрело значение и только фотоны и ряд других объектов с ним не взаимодействуют.

Вакуум пространства на самом деле не пуст, он заполнен полем Хиггса. Изначально в ранней Вселенной поле было "выключено". А когда включалось поле Хиггса, частицы "приобретали массу".

Что за такое "взаимодействие"?

Когда электрон движется через кристалл, он движется так, как если бы его "эффективная" масса отличалась от массы свободного электрона.

Понятие эффективной массы возникает при решении задач динамики, в которых при распространении частицы в конденсированной среде учёт её взаимодействия с окружением сводится к замене её массы.

Это явление было хорошо известно в обычной физике конденсированного состояния. Частицы, движущиеся в жидкостях или твердых телах, не ведут себя как свободные частицы, потому что они взаимодействуют с окружающей средой.

Точно так же происходит, когда безмассовая частица проходит через поле Хиггса.

Другая аналогия заключается в том, что когда свет проходит через вещество, он движется с меньшей скоростью (равной скорости света в вакууме, деленной на «показатель преломления»).

Это явление, при котором поле Хиггса придает безмассовым частицам кажущуюся массу, называется механизмом Хиггса.

Нарушает ли это теорию относительности? Нет, частицы ускоряются точно так же, как если бы поля Хиггса не было и у них была масса.

Зачем искали бозон?

В квантовой теории любое поле может быть локализовано в частицу. Вот почему физики искали и нашли частицу Хиггса.

Эффективная масса каждой частицы пропорциональна силе ее взаимодействия с полем Хиггса. Одно из предсказаний состояло в том, что частица Хиггса будет взаимодействовать (сталкиваться) с другими частицами таким образом, что амплитуда этого взаимодействия будет пропорциональна массе этой частицы. И про саму суть взаимодействия - вообще темный лес.

Но что это за поле? Тут всё сложнее. Пока разберем этот момент.

Что это за поля такие?

Сами поля являются фундаментальной составляющей природы. Они вездесущи и являются частью определения теории. Например, температура - это тоже поле. Температура всегда имеет какое-то значение в каждой точке пространства и в каждый момент времени.

Температура не является фундаментальным полем, но поле, подобное фотонному полю, которое отвечает за электрическое и магнитное поле, является фундаментальным полем природы.

Вообще определение поля Хиггса не то, чтобы простое:

Поле Хиггса - поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума.

Формулировка невероятно сложная. Что же, попробуем хоть как-то упростить.

Поле Хиггса представляет собой вид материи. Это поле можно описать как идеальное пространство, где присутствует потенциальная энергия в форме скалярного поля. Это также пространство-временной континуум, который можно рассматривать как сложную механическую систему с бесконечным числом внутренних степеней свободы. Поле Хиггса характеризуется скалярным полем плотности потенциальной энергии и векторным полем скоростей.

У каждого поля есть некоторая математическая модель. Согласно модели для поля Хиггса, его состояние описывается как такая мексиканская шляпа для каждой его точки. Откуда слово симметрия?

Исходя из расчётных значений мы предполагаем, что объект в поле Хиггса располагается на пике этакой мексиканской шляпы. Его положение симметрично, так как он в центре. Там же есть его нулевой потенциал. Но согласно ещё одному физическому подходу - объект стремится занять состояние с наименьшей потенциальной энергией.

Наименьшая энергия окажется не на пике, а где-то в яме шляпы. Объект устремляется туда, променяв своё расчётное идеальное состояние на принцип наименьшей потенциальной энергии.

Объект - это бозон Хиггса. Его смещение есть нарушение симметрии. Это нарушение симметрии делает поле "активным". Каждое взаимодействие с материальной частицей обусловлено тем, что поле изначально ненулевое!

Что интересно в поле Хиггса, так это то, что его минимальная энергетическая конфигурация не находится на нулевой величине поля.

Это было бы похоже на то, как электрическое поле приобретает какое-то значение, когда вокруг нет ничего другого. Нет и самого заряда, вокруг которого формируется поле. И это поле воздействовало бы на объекты.

Краткий вывод из всего этого таков: Изначально для успеха Стандартной модели было необходимо, чтобы все объекты имели нулевую массу или же логика модели качалась. Предположили, что существовало некоторое поле (поле Хиггса) благодаря которому масса могла появиться буквально "по нажатию кнопки".

Это поле существует как и, например, температурное поле. Это некоторая теоретическая база (которая подтвердилась обнаружением бозона). Но в отличие от остальных полей, поле Хиггса способно иметь ненулевой потенциал даже в отсутствии объекта, вокруг которого поле существует. Поле способно взаимодействовать с материей, что проявляется как масса. При этом понятнее становятся высказывания масса=энергия.

Как обычно приходим к интересному выводу - никто толком не понимает, чем является поле Хиггса с физической точки зрения.

Впрочем, я веду интересный Telegram-канал, где разбираю особенности физики. Наверняка всем прочитавшим статью это будет интересно!