Аннотация: С открытием бозона Хиггса у нас появилась возможность заглянуть глубже в механизмы, обеспечивающие массу частицам, и, таким образом, развивать нашу концепцию сущности материи и пространства.
БОРИС КРИГЕР
БОЗОН ХИГГСА:
КЛЮЧ
К ПОНИМАНИЮ
МАССЫ?
? 2023 Boris Kriger
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from both the copyright owner and the publisher.
Requests for permission to make copies of any part of this work should be e-mailed to krigerbruce@gmail.com
Published in Canada by Altaspera Publishing & Literary Agency Inc.
Бозон Хиггса: Ключ к пониманию массы?
С открытием бозона Хиггса у нас появилась возможность заглянуть глубже в механизмы, обеспечивающие массу частицам, и, таким образом, развивать нашу концепцию сущности материи и пространства.
Альберту Эйнштейну приписывают слова "Если вы что-то не можете объяснить 6-летнему ребёнку, вы сами этого не понимаете."
В этой книге о нашумевшем бозоне Хиггса мы постараемся объяснить наипростейшим и наипонятнейшим образом каждый термин, каждое понятие. Посмотрим, насколько нам это удалось. Автор много общался с ведущими учёными и обратил внимание на то, что нет такого понятия, которое невозможно было бы при желании объяснить достаточно точно и просто, пусть и не очень полно и всеобъемлюще, в рамках ограничений человеческого языка.
Содержание
КАКОВА ПРИРОДА МАССЫ? 5
БОЗОН ХИГГСА: КЛЮЧ К ПОНИМАНИЮ МАССЫ 21
ПИТЕР ХИГГС И ЕГО ВКЛАД В ТЕОРИЮ МАССЫ 35
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР И ОТКРЫТИЕ БОЗОНА ХИГГСА 41
ПОЧЕМУ ОТКРЫТИЕ БОЗОНА ХИГГСА - ПЕРЕЛОМНЫЙ МОМЕНТ В ФИЗИКЕ? 45
ПРОБЛЕМЫ В ИЗУЧЕНИИ БОЗОНА ХИГГСА 53
КРИТИКА БОЗОНА ХИГГСА 56
ФИЛОСОФИЯ НОВОЙ ЭРЫ ОТКРЫТИЙ В ФИЗИКЕ 62
КАКОВА ПРИРОДА МАССЫ?
Альберту Эйнштейну не без основания приписывают слова "Если вы что-то не можете объяснить 6-летнему ребёнку, вы сами этого не понимаете."
В этой книге о нашумевшем бозоне Хиггса мы постараемся объяснить наипростейшим и наипонятнейшим образом каждый термин, каждое понятие. Посмотрим, насколько нам это удастся. Автор много общался с ведущими учёными и обратил внимание на то, что нет такого понятия, которое невозможно было бы при желании объяснить достаточно точно и просто, пусть и не очень полно и всеобъемлюще, в рамках ограничений человеческого языка.
Итак, кто из нас не таскал тяжёлых предметов, так что с массой, или по крайней мере весом знаком каждый.
Масса и вес - это два различных понятия, хоть и тесно связанных. Масса означает количество материи в объекте и остается неизменной, независимо от того, где находится объект: на Земле, Луне или где-либо еще во Вселенной.
Представьте, что Вы играете на площадке с мячом. Если Вы толкнете мяч, он будет катиться вперед, пока не остановится из-за травы или песка на его пути. Мяч не хочет останавливаться сам по себе, он хочет продолжать двигаться. Это называется "инерционностью". Инерционность - это свойство вещей (или объектов, как мяч) продолжать делать то, что они делали, если ничто не заставит их остановиться или изменить направление.
Если мяч катится, он хочет продолжать катиться. Если мяч стоит, он хочет продолжать стоять, пока кто-то или что-то (например, Ваша нога) не заставит его двигаться.
Так что инерционность - это слово, которое описывает, почему мяч ведет себя таким образом на площадке, почему он продолжает катиться, пока что-то не остановит его!
Инерционность - это свойство тела сопротивляться изменению своего состояния движения или покоя. Это свойство напрямую связано с массой тела: чем больше масса, тем больше инерционность, и, следовательно, тем больше сила, необходимая, чтобы изменить состояние движения тела.
Масса тела определяет его инерционные свойства - способность сопротивляться ускорению под действием внешней силы. Закон инерции, или первый закон Ньютона, гласит, что тело остается в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно, пока на него не подействует внешняя сила.
Инерционность массы является причиной, почему тела с большей массой требуют больше силы для изменения их скорости или направления движения по сравнению с телами меньшей массы. Это ключевое понятие, лежащее в основе законов Ньютона и классической механики.
Вес же, в отличие от массы, зависит от гравитации, или силы тяжести, которая действует на объект. В разных точках Вселенной сила тяжести различна, и поэтому вес объекта может меняться. Например, ваш вес на Луне будет меньше, чем на Земле, потому что гравитация Луны слабее земной.
Можно сказать, что масса первична, а вес вторичен, и в обычных условиях вес без массы не может существовать. Особо въедливые, вспомнив о идее космических кораблей на солнечных парусах, спросят: "А как же давление света?" и будут отчасти правы. Давление света, или радиационное давление, действительно является проявлением влияния фотонов света (которые не имеют массы) на материю. Фотоны обладают импульсом, и когда они сталкиваются с поверхностью, они передают часть своего импульса, вызывая давление.
Импульс, в физике, также известный как количества движения, - это векторная величина, характеризующая механическое движение объекта. Импульс объекта определяется как произведение массы объекта на его скорость.
Давайте поговорим об импульсе так, чтобы было понятно шестилетнему ребенку.
Представьте, что у вас есть мяч, и вы находитесь на катке. Если вы толкнете мяч вперед, он будет скользить по льду. Как сильно и как долго мяч будет двигаться, зависит от того, как сильно вы его толкнули. Этот "толчок", который вы дали мячу, и есть импульс.
Импульс - это сила толчка, умноженная на скорость, с которой мяч двигается. Если вы толкнете мяч нежно, у него будет маленький импульс, и он не поедет далеко. Если вы толкнете мяч сильно, у него будет большой импульс, и он уедет далеко и быстро.
Так что можно сказать, что импульс - это мера "силы движения" мяча. И чем больше импульс, тем дальше и быстрее улетит мяч после вашего толчка!
Импульс является ключевым понятием в классической механике и сохраняется в изолированной системе, что является следствием закона сохранения импульса. Этот закон гласит, что суммарный импульс изолированной системы объектов остается постоянным, если на систему не действуют внешние силы.
Импульс также играет важную роль в квантовой механике.
Итак давление частиц света фотонов можно с натяжкой рассматривать как "вес" света, поскольку оно вызывается взаимодействием фотонов с материей. Однако стоит помнить, что это не вес в традиционном понимании, потому что не связано с гравитационным притяжением к массе другого объекта, как в случае с обыденным весом предметов.
Свет, хоть и не имеет массы, может как бы притягиваться гравитационными полями массивных объектов, таких как планеты, звезды и черные дыры, в соответствии с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Этот эффект называется гравитационным линзированием или отклонением света гравитацией.
Общая теория относительности предсказывает, что масса искривляют пространство и время вокруг себя, создавая то, что мы называем гравитационным полем. Когда световой луч проходит рядом с массивным объектом, его путь искривляется этим искривленным пространством-временем, что приводит к отклонению траектории светового луча.
Один из знаменитых экспериментальных подтверждений общей теории относительности был сделан во время солнечного затмения в 1919 году, когда было обнаружено, что звезды, видимые рядом с солнцем, отклонились от своих обычных позиций, что согласуется с прогнозами Эйнштейна относительно гравитационного отклонения света.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация воздействует на все, что имеет энергию и импульс, включая массу и свет. Общая теория относительности описывает гравитацию не как "силу", действующую на расстоянии, как в классической физике, а как искривление пространства-времени, вызванное присутствием массы и энергии. Все объекты и частицы, включая фотоны (кванты света, которые сами по себе не имеют массы), движутся по геодезическим линиям в этом искривленном пространстве-времени, что мы воспринимаем как гравитационное притяжение.
Представьте, что у вас есть яблоко с определённой массой. Масса яблока останется неизменной, где бы оно ни находилось. Однако вес яблока будет изменяться в зависимости от силы гравитации места, где оно находится. На Земле вес этого яблока будет больше чем на Луне из-за различия в гравитации этих двух небесных тел, а вот масса останется неизменной.
Понятие массы весьма многогранно и вопрос о её природе остается в центре исследований физики.
В классической механике, разработанной Ньютоном, масса тела играет критическую роль в определении его физических характеристик и поведения. Масса тела, в первую очередь, определяет его инертность, то есть способность сопротивляться изменению своего состояния движения. Большие массы требуют больше силы для изменения своего состояния движения, будь то остановка, ускорение или изменение направления.
Также масса тела определяет степень его притяжения к другим телам и степень, с которой оно само притягивается другими телами в результате гравитации. Массивные объекты, такие как планеты и звезды, обладают сильным гравитационным притяжением.
Помимо инерции и гравитации, масса тела также влияет на его кинетическую энергию, или энергию движения. Чем больше масса и скорость тела, тем больше его кинетическая энергия, то есть энергия, которой обладает объект из-за его движения. Другими словами, когда что-то двигается, у него есть кинетическая энергия. Например, когда мяч катится по полу, у него есть кинетическая энергия из-за его движения. Точно так же, когда вы бегаете, у вас есть кинетическая энергия, потому что вы двигаетесь. Если объект остановится и перестанет двигаться, то его кинетическая энергия становится равной нулю.
Масса также играет важную роль во вращательном движении. Момент инерции тела, связанный с вращением вокруг оси, зависит от массы и ее распределения относительно оси вращения.
Кроме того, масса тела участвует во взаимодействии сил согласно третьему закону Ньютона: на каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие. Это означает, что когда одно тело взаимодействует с другим телом, влияние каждого тела определяется его массой.
Так, масса является ключевым фактором во многих аспектах физического мира согласно классической механике, влияя на все, от гравитационного взаимодействия до динамических характеристик, движущихся тел.
По знаменитой формуле Эйнштейна из теории относительности,
, масса тесно связана с энергией, позволяя массе и энергии преобразовываться друг в друга.
Согласно этой формуле, даже небольшое количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии и наоборот. Скорость света (c) в уравнении - это константа, и она имеет очень большое значение, что иллюстрирует, как малые изменения в массе могут привести к значительным изменениям в энергии.
Пример применения этой формулы можно увидеть в ядерных реакциях, таких как термоядерный синтез или ядерный распад. В ядерных реакциях масса ядер участвующих атомов преобразуется в энергию, которая испускается в виде излучения. Это преобразование массы в энергию лежит в основе ядерной энергетики и оружия.
Масса и энергия - два фундаментальных понятия в физике, которые тесно связаны между собой, как показано в уравнении Эйнштейна
Как мы сказали, масса - это мера инерции объекта, она определяет, с каким сопротивлением объект будет реагировать на внешние воздействия или гравитационное притяжение. Масса служит внутренней характеристикой тела и остается постоянной, если только она не участвует в ядерных реакциях, где масса может превращаться в энергию и наоборот.
Тепловое излучение, или энергия, выделенная даже в процессе обычного горения, также соответствует некоторому "потерянному" количеству массы согласно принципу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна. Однако эта потеря массы из-за конверсии массы в энергию настолько ничтожно мала, что её очень сложно измерить в обычных условиях и она практически не влияет на общий баланс массы в химической реакции горения.
В термоядерном синтезе, таком как синтез, происходящий в звездах во время преобразования водорода в гелий, небольшая часть массы превращается в энергию. Точный процент массы, который теряется, зависит от конкретных ядерных реакций и условий, в которых они происходят.
Для примера, рассмотрим термоядерный синтез в Солнце. В процессе преобразования водорода в гелий через цепочку протон-протонных реакций примерно 0,7% массы первоначальных водородных ядер (протонов) превращается в энергию. Это соответствует освобождению большого количества энергии, которую мы видим как свет и тепло, излучаемые Солнцем.
Таким образом, даже несмотря на то что потеря массы в процессе термоядерного синтеза составляет менее одного процента, это обеспечивает значительное количество энергии из-за огромных масштабов, на которых происходят эти реакции в астрономических объектах, таких как звезды.
Нуклоны - это общее название для протонов и нейтронов, являющихся ключевыми составляющими атомного ядра. Каждый нуклон - это барион, частица, состоящая из трех кварков и участвующая в сильном взаимодействии, которое играет роль в удержании нуклонов внутри ядра, несмотря на электростатическое отталкивание протонов друг от друга из-за их положительного заряда.
Давайте поговорим об нуклонах так, чтобы это было понятно для шестилетнего ребенка.
Представьте, что атом - это как небольшой мини-городок. В центре этого городка находится замок, а вокруг замка гуляют жители. Замок - это ядро атома, а жители - это электроны.
Внутри замка живут королевские охранники. Эти охранники - нуклоны! У нас есть два вида охранников: протоны, которые всегда носят красные униформы, и нейтроны, которые носят серые униформы.
Протоны (в красных униформах) очень дружелюбные и всегда улыбаются, потому что у них есть положительная энергия. Нейтроны (в серых униформах) нейтральны, они просто стоят и смотрят, у них нет особенного заряда.
Охранники держат замок в безопасности и не позволяют ему развалиться. Они держат все вместе, чтобы городок (атом) был крепким и устойчивым!
Протоны - это частицы с положительным электрическим зарядом, присутствующие в ядре каждого атома, и они обладают стабильностью в условиях ядра. Нейтроны же несут в себе нейтральный заряд и также являются частью атомного ядра, но в отличие от протонов, нейтроны не стабильны вне ядра и подвержены распаду с образованием протона, электрона и антинейтрино. Сильное взаимодействие между нуклонами обеспечивает устойчивость атомного ядра, позволяя преодолеть кулоновское отталкивание между протонами.
Для элементов с атомными номерами в периодической таблице Менделеева около железа энергия связи на нуклон достигает максимума. Для них синтез более тяжелых ядер не приводит к высвобождению энергии, наоборот, это абсорбирует энергию. Исключение составляют условия в суперновых взрывах, где экстремальные температуры и давление позволяют синтезировать элементы тяжелее железа с высвобождением энергии.
Так что потеря массы и высвобождение энергии больше или меньше зависят от специфических элементов и условий, в которых происходят ядерные реакции.
Аккреция - это процесс, при котором материя из окружающего пространства падает на поверхность астрономического объекта, такого как звезда или черная дыра.
Давайте представим, что у нас есть гигантский космический пылесос. Этот пылесос летает по космосу и всасывает в себя пыль, газы и другие мелкие частицы. Когда пылесос собирает все эти мелочи, он становится все больше и тяжелее.
Аккреция - это как если бы звезда или черная дыра была бы этим космическим пылесосом. Они "всасывают" в себя материал из космоса и становятся больше.
Можно также представить аккрецию, как если бы у вас был снежок, и вы катаете его по снегу. Снежок постепенно становится все больше и больше, потому что снег прилипает к нему. Точно так же звезды и черные дыры "катятся" по космосу и становятся больше, когда другие материалы прилипают к ним.
Представьте себе космическую пиратскую шляпу, которая такая глубокая и темная, что если что-то упадет туда, то никогда не сможет выбраться обратно. Даже свет от фонарика не сможет уйти из этой шляпы, потому что она будет его держать внутри.
Черная дыра - это как такая космическая шляпа. Она "поедает" все вокруг: звезды, планеты, даже свет! И ничего не может убежать от нее из-за ее огромной силы притяжения.
Но помните, черные дыры на самом деле не опасны, как пираты или чудовища, если, конечно, к ним не приближаться, они за вами не погонятся. Они просто часть нашей удивительной Вселенной, и ученые изучают их, чтобы лучше понимать, как работает космос!
При аккреции часть массы действительно может превращаться в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна, особенно если рассматривать аккрецию вокруг черных дыр и нейтронных звезд, где гравитационное притяжение чрезвычайно сильное.
Процент массы, превращенной в энергию, зависит от специфических условий аккреции, таких как тип аккрецирующего объекта и свойства аккрецирующего материала. В случае аккреции на черную дыру, до 10% массы аккрецирующего вещества может быть преобразовано в энергию. Это значительно эффективнее процесса ядерного синтеза в звездах, где только около 0.7% массы превращается в энергию.
Однако следует помнить, что аккреция - сложный и многогранный процесс, и точные значения будут зависеть от многих факторов, включая угловой момент, магнитные поля и температуру аккрецирующего материала.
Вернемся же к различиям между энергией и массой. Энергия описывает способность тела выполнять работу или вызывать изменения. Энергия может принимать различные формы, такие как кинетическая энергия, потенциальная энергия, тепловая энергия, химическая энергия и др. Например, кинетическая энергия связана с движением объектов, а химическая энергия хранится в химических связях молекул.
Масса, с другой стороны, это мера инерции объекта и количество материи, содержащееся в объекте. Масса определяет, насколько объект будет сопротивляться изменению своего состояния движения в ответ на приложенную силу. Энергия может принимать различные формы, такие как кинетическая, потенциальная или химическая, и переходить из одной формы в другую, сохраняя общую энергию в системе. Энергия зависит от состояния и движения тела; например, кинетическая энергия напрямую зависит от скорости тела.
Давайте попробуем объяснить различия между массой и энергией так, чтобы это было понятно шестилетнему ребенку.
Представьте, что у вас есть мяч. Масса мяча - это то, насколько он тяжелый. Если вы поднимете мяч в руке, Вы почувствуете его вес. Это и есть масса - количество вещества, которое содержится в мяче.
Теперь представьте, что вы кидаете мяч. Когда мяч летит, он использует энергию, чтобы двигаться вперед. Энергия - это сила, которая помогает мячу двигаться, лететь в воздухе и отскакивать от земли.
Таким образом, масса - это что-то вроде "тяжести" мяча, из-за которой он падает на землю, а энергия - это "сила", благодаря которой мяч может двигаться, когда его кидаете или катите.
Можно сказать, что масса - это "спокойная" часть мяча, а энергия - это "активная" часть, которая придает мячу движение и жизнь!
Масса и энергия взаимосвязаны. Под влиянием высоких скоростей или в условиях ядерных реакций масса может превращаться в энергию, и наоборот, энергия может приводить к увеличению массы тела, что проявляется в релятивистских условиях. Так, уравнение Эйнштейна показывает, что даже небольшое количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии.
Масса и энергия являются ключевыми концепциями в физике, каждый из которых имеет свою роль и свойства, но они остаются в тесной взаимосвязи и взаимном влиянии друг на друга в различных физических процессах и явлениях.
Для определения преобразования массы в энергию и обратно можно использовать различные методы, такие как измерение массы и энергии участвующих частиц и анализ испущенного излучения.
Формула Эйнштейна также важна при описании космических объектов и явлений, таких как черные дыры и излучение тела, и дает возможность понимания, как масса и энергия соотносятся и взаимодействуют во Вселенной. Этот принцип открыл новые горизонты в понимании фундаментальных законов физики и Вселенной в целом.
Переход массы в энергию и обратно - это явление, объясняемое теорией относительности Эйнштейна, согласно которой масса и энергия тесно связаны и могут преобразовываться друг в друга. Давайте рассмотрим, как мы можем наблюдать эти преобразования на примере различных физических процессов.
Представьте ядерную реакцию. В таких реакциях, будь то термоядерный синтез или распад, масса начальных частиц, как мы уже отмечали, несколько отличается от массы конечных продуктов. Эта разница в массе преобразуется в энергию, которая высвобождается во время реакции, и это можно измерить.
Объясним шестилетнему? Давайте представим, что внутри атома есть маленькие частицы, которые можно сравнить с игрушечными блоками, из которых мы можем строить разные конструкции. Эти маленькие "блоки" называются протонами и нейтронами.
Ядерный распад - это когда атом становится уставшим от того, чтобы быть тяжелым и большим, и решает избавиться от некоторых своих частичек, чтобы стать легче.
Представьте, что у вас есть большой, тяжелый рюкзак, полный игрушек. Носить его очень трудно, потому что он такой большой и тяжелый. И вот вы решаете вытащить из рюкзака одну или две игрушки и оставить их на дороге, чтобы рюкзак стал легче. Теперь вам легче идти вперед, не так ли?
Вот атомы делают примерно то же самое в ядерном распаде. Они "выбрасывают" некоторые из своих частиц, чтобы стать "легче", и когда они это делают, они также высвобождают энергию, как будто из рюкзака вылетает яркий свет или искры. Это помогает ученым делать много полезных вещей, например, создавать энергию для наших домов или лечить людей в больницах!
Представьте, что атомы - это магические конфеты, которые могут создавать огромное количество энергии. Большинство людей хотят использовать эту энергию, чтобы делать хорошие вещи, например, помогать машинам работать, давать свет и тепло нашим домам.
Но к сожалению, есть и "злые дяди", которые хотят использовать эти магические конфеты, чтобы делать плохие вещи. Они могут собрать много этих конфет вместе и создать что-то очень опасное, например, атомную бомбу. Эта бомба может причинить много боли и разрушений, потому что она очень, очень мощная.
Мы все должны помнить о том, что наука и знания - это инструменты, которые можно использовать по-разному. И мы, взрослые, должны стараться использовать наши знания и умения, чтобы создавать мирное и счастливое будущее для всех детей мира, обеспечивая мир, безопасность и заботу.
А есть еще и термоядерный синтез. Итак, у нас есть особенная комната (ядро атома), где происходит волшебство. Мы берем два блока (два атома), и с помощью магического клея (ядерных сил) склеиваем их вместе. Когда они соединяются, из комнаты выходит волшебный свет и тепло. Это волшебство называется термоядерной реакцией!
Таким образом, термоядерная реакция - это когда мы соединяем маленькие частицы в атоме и получаем много света и тепла. Именно так работают солнце и другие звезды - они создают свет и тепло благодаря термоядерным реакциям в своем ядре!
Еще один пример - аннигиляция частицы и античастицы. Когда они встречаются, их масса полностью преобразуется в энергию, высвобождая фотоны. Этот процесс также демонстрирует преобразование массы в энергию.
Вещество и антивещество являются концепциями, введенными в физике для описания частиц и их античастиц. В каждой частице вещества, такой как электрон или протон, есть соответствующая античастица, которая имеет противоположный электрический заряд и другие различия в квантовых свойствах.
Объясним это шестилетнему?
Представьте, что у нас есть две противоположные магические фигурки: одна из них - супергерой, а другая - суперзлодей. Они абсолютные враги и не могут находиться рядом друг с другом.
Однажды, они встречаются на магическом поле боя, готовы сразиться. И когда они касаются друг друга, они оба исчезают в вспышке света, оставляя за собой только энергию, из которой можно сделать новые магические вещи.
В науке это называется аннигиляцией. Это когда частица и античастица (как наш супергерой и суперзлодей) встречаются и уничтожают друг друга, превращаясь в энергию.
Эта энергия может быть использована для создания новых частиц или других вещей во Вселенной! Так что, хотя супергерой и суперзлодей ушли, они оставили что-то волшебное и полезное за собой.
Когда частица вещества встречается с соответствующей частицей антивещества, они аннигилируют, или уничтожают друг друга, превращая свою массу в энергию согласно формуле Эйнштейна
Эта энергия затем может появиться в виде фотонов или других частиц и античастиц. Этот процесс аннигиляции лежит в основе работы некоторых типов детекторов частиц и использован в медицинской томографии, такой как позитронно-эмиссионная томография. Другая область применения позитронная аннигиляционная спектроскопия - метод, используемый для изучения дефектов в твердых телах. Этот метод помогает ученым получать информацию о микроскопических дефектах и структуре материалов на атомном уровне.
Примечательно, что антинейтрон - это античастица нейтрона. Как и все античастицы, антинейтрон имеет те же характеристики, что и соответствующая частица (в этом случае нейтрон), но с противоположным знаком некоторых квантовых свойств, таких как заряд и другие квантовые числа.
Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет другие квантовые числа, такие как спин и барионное число, и антинейтрон имеет противоположные значения этих квантовых чисел.
Антинейтроны могут быть образованы в реакциях высокоэнергетической физики, таких как те, которые происходят в космических лучах или в больших адронных коллайдерах на Земле. Антинейтрон также участвует в процессах аннигиляции при встрече с нейтроном, в результате которой высвобождается энергия.
А как насчет антифотона? Фотоны - это кванты электромагнитного поля, они не имеют заряда и являются своими собственными античастицами. Иными словами, фотон не имеет различий между частицей и античастицей, в отличие от материальных частиц, таких как электроны и кварки, и их соответствующих античастиц.
Когда материальная частица и соответствующая ей античастица встречаются, они аннигилируются, превращаясь в фотоны. Но поскольку фотоны не имеют заряда и не обладают свойствами, которые могли бы измениться при аннигиляции, понятие "антифотон" не имеет смысла в физике частиц.
Процесс, обратный аннигиляции, называется парное производство или создание пары. В этом процессе фотон, проходящий рядом с атомом или ядром, может превратиться в частицу и соответствующую ей античастицу. Например, фотон может превратиться в пару электрон-позитрон. Это возможно, потому что энергия фотона конвертируется в массу новых частиц в соответствии с формулой Эйнштейна.
Этот процесс подчиняется законам сохранения энергии и импульса, а также другим фундаментальным законам физики, таким как сохранение заряда и числа лептонов.
Однако для того, чтобы произошло парное производство, энергия фотона должна быть достаточно высокой, чтобы превысить совокупную массу создаваемых частиц, умноженную на скорость света в квадрате.
Бозон Хиггса, как и фотон, является своей античастицей. Это означает, что не существует отдельного антибозона Хиггса в противоположность, например, к античастицам таким, как антипротоны или позитроны.
Бозоны, которые являются частицами с нулевым спином, не имеют направления, так что античастица будет идентична частице. Это отличает их от векторных бозонов, таких как W и Z бозоны, которые имеют спин и имеют соответствующие античастицы.
Бозон Хиггса не имеет заряда; его заряд равен нулю. Таким образом, понятие "антибозона Хиггса" в контексте обсуждения заряда не применимо, поскольку у бозона Хиггса нет заряда, который можно было бы инвертировать для создания античастицы.
В физике элементарных частиц античастицы обычно характеризуются инвертированными значениями некоторых квантовых чисел по сравнению с их соответствующими частицами, такими как электрический заряд. Но поскольку заряд бозона Хиггса и так равен нулю, у него нет "античастицы" в традиционном понимании этого термина.
Давайте поговорим о спине частиц, используя пример, который поймут даже маленькие дети.
Представьте себе волшебный крутящийся волчок. Когда вы его запускаете, он крутится вокруг своей оси. Частицы, такие как электроны и протоны, тоже ведут себя подобно этим волшебным топам - у них есть свой собственный крутящийся движок внутри, который называется "спином".
Спин делает каждую частицу уникальной, и благодаря этому свойству частицы могут взаимодействовать друг с другом, как магниты. Например, спин помогает протонам и электронам находить друг друга, чтобы создавать атомы, из которых состоит все вокруг.
Так что спин - это как волшебная сила, которая делает частицы особенными и помогает им создавать всё, что нас окружает!
Давайте представим, что волшебные волчки, о которых я рассказывал раньше, могут крутиться разными способами. Некоторые крутятся очень быстро и делают полный оборот, как балерина, кружащаяся в пируэте. Эти волчки мы можем назвать "целыми спинами".
Но есть и другие волшебные волчки, которые крутятся немного иначе. Они делают только половину оборота, когда крутятся. Это как если бы балерина попыталась сделать пируэт, но крутанулась только наполовину.
В мире частиц, такие "половинные" волчки называют частицами с половинным спином. Электроны - один из примеров таких частиц. Именно благодаря этому половинному спину, электроны могут взаимодействовать таким особым образом, чтобы создавать атомы и молекулы, из которых состоит всё вокруг нас!
Спин - это внутренний момент импульса частицы. Бозоны, включая бозон Хиггса, имеют целочисленные значения спина. Бозон Хиггса, например, имеет спин 0.
Античастицы, как правило, имеют спин, который противоположен спину соответствующих частиц в отношении направления, но имеет такую же абсолютную величину. Так, например, электрон имеет спин -1/2, а его античастица, позитрон, имеет спин 1/2.
Однако бозон Хиггса является скалярной частицей со спином 0, и так как направление спина в этом случае не определено (спин равен нулю), понятие "антиспина" для бозона Хиггса не имеет смысла. Направление спина не применимо к частицам со спином 0, и, следовательно, не существует "антиспина" для бозона Хиггса.
Аннигиляция вещества и антивещества также может потенциально использоваться для создания мощных источников энергии или даже в качестве основы для двигателей космических кораблей в будущем. Однако современная технология еще не дошла до того уровня, чтобы сделать это практически возможным, и существуют значительные проблемы, связанные с хранением и управлением антивеществом.
Несмотря на их аннигиляцию при встрече, вещество и антивещество существуют в разных пропорциях в наблюдаемой Вселенной. По неизвестным причинам вещество значительно преобладает над антивеществом, что остается одной из больших загадок современной физики.
В общей теории относительности Эйнштейна гравитация рассматривается не как сила, а как результат искажения пространства-времени вблизи массивных объектов.
В общей теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном, гравитация рассматривается иначе, чем в классической механике Ньютона. Вместо того чтобы считать гравитацию силой, действующей на расстоянии, общая теория относительности описывает гравитацию как искажение или кривизну пространства-времени, вызванное присутствием массы или энергии.
Согласно Эйнштейну, массивные объекты, такие как планеты, звезды и галактики, искажают пространство и время вокруг себя. Это искажение влияет на траектории движения объектов, включая свет, проходящих вблизи. По сути, объекты, такие как планеты, движутся по кривым траекториям (орбитам) из-за кривизны пространства-времени, создаваемой вокруг солнца, а не из-за "силы тяжести", действующей на расстоянии.
Пространственно-временной континиум - это, если говорить простым языком, как большая сетка или покрывало, которое охватывает всё вокруг нас, соединяя пространство и время в одно целое.
Представьте, что у вас есть мягкий коврик для игр с изображением дорог, домов и деревьев. Автомобиль на этом коврике может двигаться вперед и назад, влево и вправо. Это как пространство вокруг нас, где мы можем двигаться в разные стороны.
Теперь давайте представим, что этот коврик также может показывать время. Когда автомобиль двигается по дороге, время тоже проходит. Утро становится днем, день становится вечером.
В реальном мире, пространственно-временной континиум работает так же. Всё, что мы делаем, происходит в определенном месте и в определенное время. И иногда, когда что-то большое и тяжелое, например, планета или звезда, находится на нашем коврике, оно может даже немного изгибать и менять его форму, как если бы коврик был мягким и гнущимся. Это помогает нам понять, почему разные вещи во Вселенной двигаются так, как они двигаются!
Это представление о гравитации приводит к ряду удивительных и проверенных экспериментально предсказаний, таких как отклонение света от далеких звезд вблизи Солнца (гравитационное линзирование) и существование черных дыр, регионов пространства-времени с такой сильной гравитацией, что ничто, даже свет, не может из них вырваться.
Общая теория относительности также предсказывает существование гравитационных волн - волновых флуктуаций в пространстве-времени, вызванных акселерацией массивных объектов, таких как слияние черных дыр или нейтронных звезд. Эти гравитационные волны были впервые обнаружены экспериментально в 2015 году, что стало дополнительным подтверждением правильности общей теории относительности Эйнштейна.
Вопрос о природе массы остается в центре исследований по квантовой гравитации. Ученые стремятся найти теорию, которая бы успешно объединила принципы квантовой механики, управляющей миром частиц на микроскопическом уровне, с принципами общей теории относительности Эйнштейна, описывающей гравитационное взаимодействие на космологических масштабах.
Квантовая механика успешно описывает три из четырех известных фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Однако гравитация, четвертое фундаментальное взаимодействие, до сих пор остается вне рамок успешного квантового описания.
Различные подходы к квантовой гравитации, такие как теория струн, петлевая квантовая гравитация и другие, предпринимают попытки унификации этих концепций. Они исследуют, как масса и гравитация могут быть поняты и описаны в терминах квантовых принципов. Эти теории призваны ответить на многие вопросы, в том числе, как гравитация взаимодействует с другими фундаментальными силами на микроскопическом уровне и какой характер имеет пространство-время на самых малых масштабах.
Несмотря на значительные усилия в этой области, универсальная теория квантовой гравитации, которая была бы широко признана и проверена экспериментально, до сих пор не сформулирована. Это остается одной из величайших загадок и вызовов современной физики.
Наиболее современный взгляд на массу представлен в стандартной модели частиц, где масса частицы приобретается через взаимодействие с полем Хиггса. Стандартная модель - это теоретическая конструкция, описывающая электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия между фундаментальными частицами. В этой модели особое место занимает механизм Хиггса, который объясняет, как частицы приобретают массу.
Согласно механизму Хиггса, Вселенная наполнена полем Хиггса, которое пронизывает каждый уголок пространства. Фундаментальные частицы, такие как кварки и лептоны (например, электроны и нейтрино), взаимодействуют с этим полем, и именно через это взаимодействие они приобретают массу. Частицы, взаимодействующие с полем Хиггса сильнее, имеют большую массу, в то время как частицы, взаимодействующие слабее, имеют меньшую массу. Некоторые частицы, такие как фотоны, не взаимодействуют с полем Хиггса вовсе и остаются без массы.
Растолкуем шестилетним детям как частицы обретают массу в поле Хиггса?
Давайте вместе представим волшебный лес. В этом лесу растут необычные цветы, которые называются "Полем Хиггса". Эти цветы волшебны и наполнены специальной магией.
Теперь представьте, что по лесу бегают разные животные: кролики, оленята, белки. Но эти животные особенные - у них нет веса, они как призраки и могут бегать совсем быстро, почти мгновенно перемещаясь из одного места в другое.
Однажды, животные решили побегать среди волшебных цветов "Поле Хиггса". Когда они пробегали мимо цветов, магия цветов касалась животных, и они начинали чувствовать, что становятся тяжелее, словно на них надевали волшебные жилеты.
Благодаря этим волшебным жилетам, животные больше не могли бегать супербыстро, они становились тяжелее и бегали медленнее, как обычные животные.
В нашем мире что-то похожее происходит с частицами в Поле Хиггса. Когда частицы, например, электроны, проходят через это волшебное поле, они "надевают" на себя массу и становятся "тяжелее", благодаря чему и образуется вся материя во Вселенной!
В 2012 году на Большом адронном коллайдере была обнаружена частица, которая была идентифицирована как бозон Хиггса - квант поля Хиггса. Это открытие стало подтверждением существования поля Хиггса и механизма, через который частицы приобретают массу, и была отмечена Нобелевской премией по физике в 2013 году.
Таким образом, механизм Хиггса в стандартной модели представляет собой наиболее современное и подтвержденное экспериментально объяснение того, как фундаментальные частицы приобретают массу.
Можно ли доказать, что во всех этих концепции (Ньютона, Эйнштейна, Хиггса и других) говорится об одной и той же фундаментальной характеристике материи - массе.
Каждая из этих концепций обращается к массе как к фундаментальной характеристике материи, но делает это с разных точек зрения и в разных контекстах. Все они вместе помогают нам лучше понять, что такое масса и как она влияет на поведение материи во Вселенной.
Каждая из упомянутых концепций рассматривает массу под разным углом и в разных контекстах, исходя из разных теоретических оснований и экспериментальных наблюдений.
Ньютон видел массу как инертную и гравитационную, что хорошо работало в классической механике.
Эйнштейн внес коррективы, связав массу с энергией и пространством-временем, что было революционным изменением в понимании массы и гравитации.
Механизм Хиггса добавил новый уровень понимания, позволяя понять происхождение массы элементарных частиц.
С точки зрения философии науки, можно сказать, что наши теории и концепции являются лишь моделями, которые помогают нам описывать и предсказывать физические явления. Эти модели созданы на основе наших наблюдений и экспериментов, и они эволюционируют, когда появляются новые данные.
Так что, в каком-то смысле, все эти концепции объединяются и интерпретируются в человеческом сознании, и наш выбор теории или концепции зависит от того, насколько хорошо она объясняет и предсказывает физические явления, которые мы наблюдаем.
Переход между квантовым и классическим (макроскопическим) мирами не является "мягким", и это является одной из величайших загадок в физике. Это явление часто называют "проблемой измерения" или "коллапсом волновой функции", и оно связано с тем, как квантовые системы "коллапсируют" к определенным состояниям при измерении.
В квантовой механике частицы описываются волновыми функциями, которые представляют вероятности нахождения частиц в различных состояниях. В отличие от классических объектов, квантовые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции - быть в нескольких местах или состояниях одновременно, пока не произойдет измерение.
Когда мы переходим к макроскопическому миру, такие суперпозиции исчезают, и объекты имеют четко определенные положения и скорости. Это явление еще называют "декогеренцией", когда квантовые свойства утрачиваются из-за взаимодействия с окружающей средой.
Проблема перехода между квантовым и классическим мирами остается предметом интенсивных исследований и дебатов. Существует несколько интерпретаций квантовой механики, каждая из которых пытается объяснить этот переход, такие как Копенгагенская интерпретация, многомировая интерпретация и другие, но на данный момент универсально принятого ответа на этот вопрос нет.
Эксперимент с котом Шрёдингера - это умственный эксперимент, который помогает нам понять сложность перехода между квантовым и классическим мирами.
Представим, что у нас есть коробка, и в этой коробке находится кот. В коробке также есть атом, который может распасться в любой момент, и устройство, которое может открыть банку с ядом, если атом распадется. Если банка открывается, кот умирает. Если нет - кот остается живым.
Теперь, в квантовом мире, атом может быть одновременно и распавшимся, и нет. Это означает, что и кот тоже одновременно и жив, и мертв, пока мы не откроем коробку и не проверим.
Этот эксперимент помогает показать, как странно и необычно ведут себя частицы в квантовом мире, и как сложно понять, что происходит, когда мы пытаемся объединить квантовый и классический миры. В классическом мире, кот не может быть одновременно и жив, и мертв, но в квантовом мире - может. И вот эта загадка делает мир частиц таким удивительным и таинственным местом для исследований!
Копенгагенская интерпретация - это одна из интерпретаций квантовой механики, и она является довольно популярной и широко принятой. Эта интерпретация была разработана в первой половине 20 века учеными, работавшими в Копенгагене, в частности, Нильсом Бором и Вернером Хайзенбергом.
Давайте попробуем объяснить ее простым языком, используя нашего кота из предыдущего эксперимента.
Представьте, что кот в коробке спит, и мы не знаем, жив он или мертв. По Копенгагенской интерпретации, кот находится в состоянии "смешения" - он одновременно и жив, и мертв, пока мы не откроем коробку и не посмотрим.
Как только мы открываем коробку, мы "коллапсируем" состояние кота - он становится или полностью живым, или полностью мертвым. То есть наше наблюдение определяет состояние кота.
Также Копенгагенская интерпретация говорит нам, что в квантовом мире мы не можем быть уверены ни в чем на 100% до тех пор, пока мы не сделаем измерение или наблюдение. Это называется принципом неопределенности, и он является ключевой частью этой интерпретации.
Вот так, Копенгагенская интерпретация помогает нам понимать странный и необычный мир квантовой механики!
Многомировая интерпретация квантовой механики - это еще один способ понимания странного мира квантовых частиц. Эту интерпретацию предложил ученый Хью Эверетт в 1957 году. Она говорит о том, что для каждого возможного исхода квантового события реально существует отдельная вселенная или "мир".
Давайте вернемся к нашему эксперименту с котом Шрёдингера, чтобы лучше понять эту идею.
Представьте, что когда мы открываем коробку, чтобы посмотреть, жив кот или мертв, в многомировой интерпретации случается что-то удивительное: Вселенная "раздваивается" на две части.
В одном мире (или вселенной) кот остается живым, и мы видим живого кота. В другом мире кот умер, и мы видим мертвого кота. И так каждый раз, когда происходит квантовое событие с разными возможными исходами, вселенная раздваивается, создавая множество параллельных миров, где все возможные исходы события реализованы.
Это как в фильмах или книгах о параллельных мирах, где каждое ваше решение создает новую реальность. Многомировая интерпретация - это сложная и удивительная концепция, которая показывает, насколько квантовый мир полон загадок и чудес!
Переход между классической механикой и релятивистской механикой можно рассматривать как более плавный, по сравнению с переходом между квантовой механикой и классической механикой, потому что релятивистские эффекты становятся заметными только при очень высоких скоростях, близких к скорости света, или в очень сильных гравитационных полях.
В обыденной жизни, где скорости много меньше скорости света и гравитационные поля не экстремальны, классическая механика Ньютона отлично работает и дает очень точные предсказания. Релятивистские коррекции необходимы, когда мы имеем дело с объектами, движущимися с очень большими скоростями или находящимися в сильных гравитационных полях, как вблизи черных дыр.
Так что, можно сказать, что есть некий "мягкий" переход между классической и релятивистской механикой, потому что релятивистские эффекты проявляются постепенно с увеличением скорости или гравитационного воздействия, и классическая механика является частным случаем релятивистской механики при низких скоростях и слабых гравитационных полях.
Всё это показывает, что понятие массы не является статичным и может изменяться в зависимости от физической теории и условий, в которых оно применяется. Эволюция понятия массы от Ньютона к Эйнштейну и далее к Хиггсу иллюстрирует, как наше понимание фундаментальных концепций может развиваться с появлением новых научных данных и теорий.
БОЗОН ХИГГСА: КЛЮЧ К ПОНИМАНИЮ МАССЫ
Начнем с того откуда взялся термин "бозон". Бозоны - это класс частиц в физике элементарных частиц, которые следуют статистике Бозе-Эйнштейна -концепции в квантовой механике, применяемой для описания поведения частиц с целым значением спина, известных как "бозоны". Эта теория была разработана индийским физиком Шатьендранатом Бо́зе и Альбертом Эйнштейном, и она позволяет бозонам занимать одно и то же квантовое состояние в отличие от фермионов, которые подчиняются статистике Ферми-Дирака.
Интересным следствием статистики Бо́зе-Эйнштейна является возможность существования бозонов в уникальном состоянии, называемом конденсатом Бо́зе-Эйнштейна, при экстремально низких температурах. В этом состоянии большое число бозонов сосредотачивается в самом низком квантовом состоянии, демонстрируя когерентное квантовое поведение на макроскопическом уровне.
Статистика Бо́зе-Эйнштейна оказывает значительное влияние на термодинамические свойства системы бозонов, определяя распределение частиц по энергетическим уровням и влияя на такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Эта статистика является фундаментальным элементом в понимании и описании многих явлений в квантовой физике.
Бозоны играют ключевую роль в передаче сил между другими частицами и характеризуются целочисленным спином.
Один из наиболее известных бозонов - бозон Хиггса, который был предсказан теоретически и в последствии обнаружен в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса особенно важен, поскольку он связан с механизмом, который объясняет, почему частицы имеют массу.
Другие примеры бозонов включают фотоны, W и Z бозоны, и глюоны. Фотоны являются квантами электромагнитного поля и переносят электромагнитное взаимодействие. W и Z бозоны участвуют в слабом взаимодействии, которое лежит в основе процессов радиоактивного распада. Глюоны - это частицы, переносящие сильное взаимодействие, которое держит кварки вместе в протонах и нейтронах.
В целом, бозоны играют центральную роль в структуре и динамике Вселенной, участвуя в фундаментальных взаимодействиях, которые определяют поведение материи на самых малых масштабах.
Подчеркнём, что всем известная частица-волна света фотон является бозоном. Фотон - это квант света, элементарная частица, которая переносит электромагнитное взаимодействие.
Квант в физике - это дискретная (квантованная), неделимая порция какого-либо физического параметра или величины. Понятие кванта тесно связано с квантовой механикой, где физические величины, такие как энергия или импульс, могут принимать только определенные дискретные значения, а не любые значения на непрерывной шкале.
Квантование можно представить как ступеньки лестницы, по которой может ходить котенок (представим, что котенок - это частица, например, электрон).
Если котенок находится на одной из ступенек, то он чувствует себя хорошо и комфортно. Но котенок не может сидеть между ступеньками, потому что там нет места для него. Он может перепрыгнуть с одной ступеньки на другую, но не может остановиться между ними.
Так же и в мире маленьких частиц, таких как электроны. Электроны могут находиться только на определенных "ступеньках" энергии вокруг атома, и у них нет возможности остановиться между этими "ступеньками". Это и называется квантованием - когда есть только определенные уровни или "ступеньки", на которых могут находиться частицы.
Туннелирование в квантовой механике - это как волшебный трюк, когда котенок (частица) вдруг магическим образом переходит через закрытую дверь (барьер) в другую комнату (другое состояние или место).
![[]](/img/k/kriger_b_j/text_0410/bozonhiggsakljuchkponimanijumassy.jpg)