Вчера узнал удивительное, что должен был знать вообще-то давно, но никогда не задумывался об этом.
Мы все знаем, что со скоростью света могут двигаться только безмассовые частицы (типа фотона или гравитона). Так вот, когда-то все частицы были безмассовыми (и могли двигаться со скоростью света)! То есть, скажем, электрон или W-бозон в ранней Вселенной летали с той же скоростью, что и фотоны. Как так?
Начать надо с того, что масса у элементарных частиц появляется в результате взаимодейтствия с полем Хиггса. Поле Хиггса особенное — оно имеет ненулевое среднее значение во всех точках пространства (другими словами, вакуумное состояние не нулевое, т.е. “вакуум” всегда заполнен). Это отличает его от всех других полей, среднее значение у которых равно нулю. При движении частицы взаимодействуют с полем Хиггса, и оно мешает им ускоряться (но не влияет на равномерное движение). Таким образом проявляется то, что мы называем массой. Есть два механизма, как частицы приобретают массу: через механизм Хиггса, который отвечает за появление массы у бозонов, и через взамодействие Юкавы (для фермионов). Не буду вдаваться в детали, там много математики, но тут можно провести аналогию с распространением света в среде, где средняя скорость фотона оказывается меньше скорости света из-за взаимодействия с веществом. Тут роль среды выполняет поле Хиггса.
Так вот, поле Хиггса не всегда имело ненулевое среднее значение: в первые мгновения после Большого Взрыва Вселенная была очень горячей, поле Хиггса в среднем было равно нулю, и электромагнитное и слабое взаимодействия были одним взаимодействием. Все частицы были безмассовыми и летали с одинаковой скоростью. Правда, Вселенная была заполнена плазмой, так что ни эти частицы, ни фотоны не летали со скоростью света — они постоянно взаимодействовали друг с другом, что снижало их среднюю скорость. Но могли бы! А потом произшло спонтанное нарушение электрослабой симметрии, поле Хиггса приобрело ненулевое среднее значение, а частицы получили массу.
Кстати, часто говорят, что бозон Хиггса дает массу всему — это неверно сразу в двух частях:
- Бозон Хиггса — это возмущение поля Хиггса, этот бозон (частица) не дает массу ничему, это просто элементарная частица, которая может возникнуть в динамических ситуациях. Массу дает именно поле.
- Поле Хиггса дает массу только элементарным частицам. Большая же часть составных частиц (протонов, нейтронов и т.д) получают массу из-за взаимодействия кварков и глюонов внутри (их энергия взаимодействия дает наибольших вклад в массу).
Кстати, один из моих любимых гипотез про конец света — спонтанный переход поля Хиггса в более низкое энергетическое состояние, распад вакуума. Мы совсем не уверены, что нынешнее состояние поля Хиггса — абсолютно устойчивое. Возможно, в какой-то момент случайная флуктуация в какой-то части Вселенной переведет его в более низкое состояние, и это запустит цепную реакцию, где все частицы потеряют свою массу, что изменит вообще всю структуру вещества. Такой “пузырь” распадающегося вакуума будет расширяться со скоростью света, пока мы не попадем в него. Возможно, он уже на подходах, и мы никогда про это не узнаем.