От мита за космическата супа до реалността на вибриращите полета: нов поглед към загадката на масата

По какъв начин квантовите полета определят масата на частиците.

През 2012 г. в Големия адронен колайдер беше открит Хигс бозонът, което потвърди отдавнашните предположения на физиците за съществуването на поле, което прониква в цялата Вселена и отговаря за масата на елементарните частици. Това откритие беше важна стъпка в разбирането на фундаменталните процеси, но обяснението на това как точно полето на Хигс изпълнява своите функции се оказа трудно.

В опит да се опрости обяснението често се използват метафори. Полето на Хигс е сравнявано със супа, меласа или дори с тълпа от хора, през която частиците преминават, забавяйки се и придобивайки маса. Подобни сравнения обаче противоречат на основните закони на физиката, които са обяснени още в първите курсове на университетите. Ако полето на Хигс наистина създаваше съпротивление, Земята отдавна щеше да се разбие в Слънцето заради спирачния ефект. Нещо повече, ако това поле наистина беше някакво вещество, то щеше да противоречи на принципите на относителността на Айнщайн и Галилей.

Всъщност полето на Хигс няма нищо общо със забавянето на движението. Неговата истинска природа се крие във вибрациите. Съвременната квантова теория на полето, която е в основата на физиката на елементарните частици, твърди, че Вселената е изпълнена с полета от типа на електромагнитното и гравитационното, всяко от които е свързано с определен вид частици. Хигс бозонът например е минималната пулсация в полето на Хигс.

Ако си представим един електрон, състоянието му може да се сравни с вибрациите на струна на китара, която звучи с определена резонансна честота. Тази аналогия ни помага да разберем, че всички полета във Вселената имат свои резонансни честоти. В този смисъл Вселената прилича на музикален инструмент, чиито вибрации формират нейната структура.

В квантовата теория на полето съществува важна връзка между резонансната честота и масата на елементарна частица: колкото по-бързо вибрира една частица, толкова по-голяма е нейната маса. Ако дадено поле няма резонансна честота, тогава частиците, свързани с него, нямат маса и никога не могат да бъдат в покой, като например фотоните в електромагнитно поле.

Затова можем да кажем, че полето на Хигс играе ролята на своеобразен „усилвател“, който повишава резонансните честоти на другите полета, като по този начин увеличава масата на техните частици. Тази аналогия по-добре обяснява как полето на Хигс влияе на другите полета и придава маса на частиците.

Разбирането на ролята на полето на Хигс е от ключово значение за обяснението на начина, по който Вселената е придобила своята структура. Според теорията след Големия взрив Вселената е била изпълнена с полета, едно от които – полето на Хигс – първоначално е отсъствало. С охлаждането и разширяването на Вселената обаче това поле е възникнало, като е направило другите полета по-твърди и е осигурило на техните частици маса. Така Вселената се е превърнала в един вид квантов музикален инструмент, какъвто е и днес.