Сайт Романа ПарпалакаЗаметкиНаучный калейдоскопБеседа о физике высоких энергий, бозоне Хиггса и космологии

Беседа о физике высоких энергий, бозоне Хиггса и космологии

31 августа 2012 года

В последнее время мне задали несколько интересных вопросов по физике, особенно в комментариях к статье «Что такое суперсимметрия». Чтобы ответы там не потерялись, я решил собрать всё это в более-менее связанную беседу о большом адронном коллайдере, открытии бозона Хиггса, судьбе Вселенной.

Физика фундаментальная и прикладная

Владимир: Меня уже много лет мучает вопрос, что это за физика такая сверхвысоких энергий? Почему считается допустимой своеобразная экстраполяция свойств материи от «обычных» энергий в пределах 200 МэВ до десятков ТэВ и более? Почему никто не задается вопросом о том, что при сверхвысоких энергиях составные элементы «обычной» материи проявляют специфичные свойства, принципиально отличные от «нормального» состояния? Может быть, наблюдаемые свойства материи при сверхвысоких энергиях — это ее совершенно особое состояние, в определенном смысле не имеющее ничего общего собственно с материей как таковой? Может быть, в этой области энергий начинают работать специальные защитные механизмы Природы, не имеющие статистической значимости для процессов взаимодействия во Вселенной? Т.е. сверхвысокие энергии не дают ровным счетом никакого понимания структуры материи и исполнительных механизмов ее взаимодействия для нормальных условий во Вселенной: от межгалактического вакуума до процессов в центрах звезд. Такого быть не может?

Если отвлечься от деталей, то такая экстраполяция в область неизвестного вполне естественна. Однако результаты экстраполяции никто за истину не выдает. Сравнивая эти результаты с экспериментом, ученые либо расширяют область применимости существующей теории, либо предлагают новую теорию.

Если говорить о конкретных энергиях, то при переходе от сотен МэВ до десятков ТэВ происходит много всего интересного. Проявляется кварковая природа протонов, начинают играть определенную роль тяжелые частицы вроде W- и Z-бозонов, топ-кварка и недавно открытого бозона Хиггса. Так что о простой экстраполяции говорить не приходится.

Изучение сверхвысоких энергий действительно не прольет дополнительный свет на природу большинства процессов во Вселенной. Например, процессы в центрах звезд — реакции термоядерного синтеза — протекают при энергиях (температурах) в десятки МэВ. Они хорошо известны. Но сверхвысокие энергии существовали во Вселенной на самых ранних этапах ее развития. Есть достаточное количество свидетельств (реликтовое излучение, первичный нуклеосинтез и др.) в пользу того, что Вселенная на первых этапах эволюции была очень плотной и горячей. Так что можно считать, что физика высоких энергий — это физика ранней Вселенной.

Владимир: Следует ли вас понимать так, что все процессы преобразования атомных ядер от водорода до элементов группы железа и далее до трансурановых элементов могут быть рассчитаны со сколь угодно большой наперед заданной точностью? У меня почему-то до сих пор живо представление, что если это и считается, то только с помощью теорий, прочно базирующихся на вероятностных методах оценки. Т.е. существующие модели построены на основе обработки и анализа статистических данных и, по сути, являются интерполяционными. Такие модели могут иметь хорошее согласование с наблюдаемыми данными, могут предсказывать состояние систем и даже приводить к открытию новых свойств и объектов, но они все равно остаются лишь моделями описания внешних проявлений систем. Они ничего не говорят о внутреннем устройстве материи и исполнительных механизмах этих систем. На основании этих моделей можно лишь строить более или менее удачные интерпретации, как, например, модель атома Бора, которая сегодня уже, правда, считается наивной. Это не так? В этой области уже все известно?

Я не специалист по ядерной физике, поэтому мне придется изложить свое представление, которое может быть не вполне точным. Рассчитать ядерные реакции, как и что-либо вообще, со сколь угодно большой точностью не получится. Но в принципе для расчета нужно не так много данных. Для каждой реакции есть своя характеристика — сечение. Она показывает темп реакции. Рассчитать ее из первых принципов трудно, как и в квантовой механике трудно вычислить частоты излучения любого атома (в отличие от простейшего атома водорода). Сечения измеряют на практике, и потом с их помощью можно подсчитать ход любых процессов, в том числе в звездах или в первые минуты жизни Вселенной.

В некотором смысле вы правы, что используется статистический метод анализа. Но он используется для определения небольшого количества параметров, а это меняет дело.

Владимир: Тогда не сочтите за идиотское упрямство, объясните, пожалуйста, почему во всех популярных изданиях практически всегда присутствуют слова: «это поможет ученым лучше понять устройство материи и нашей Вселенной». О каком устройстве материи идет речь? О той материи, которая окружает нас и из которой состоим мы сами, или о той, которая была когда-то во времена гипотетического начала всех начал?

Разумеется, эксперименты на ускорителях помогают лучше «понять» устройство материи и Вселенной. Высокие энергии, недоступные современным ускорителям, присутствовали не только в ранней Вселенной. В результате разных процессов и сейчас в космических лучах есть частицы с такими энергиями. Они тоже как-то взаимодействуют. Чем эти частицы и эти взаимодействия хуже остальных частиц? Как показывает история развития физики, при росте энергии (или, что то же самое по соотношению неопределенностей, при уменьшении расстояний) физические законы и теории упрощаются. Любопытно посмотреть, что окажется дальше.

Вселенная

Владимир:  У меня возникает целый ряд вопросов пополам с эмоциями. Эмоции в значительной степени относятся к непостижимой страсти современных ученых к теории Большого Взрыва, о которой в большинстве случаев уже и не говорят даже как о теории. Это точно установленный факт? На каком, простите, основании? Насколько мне опять-таки известно, математическая модель Большого Взрыва строилась подгонкой математических выражений и методов к фактическим наблюдательным данным и никоим образом не следует ни из какой более общей теории и тем более непосредственного наблюдения. Модель эта за время своего существования претерпела множество кризисов, которые удалось преодолеть, на мой взгляд, не совсем естественным образом. Теория Большого Взрыва была остро необходима не из общефизических, если так можно выразиться, соображений, а для того, чтобы теоретикам можно было к чему-то приложить методы анализа. Иначе имела место полная неопределенность в космологии. Но почему никто не пытается найти альтернативного объяснения реликтовому излучению и ускоренному расширению видимой материи? Что если такое объяснение существует и оно более пригодно для построения обобщенной теории?

На самом деле нет никакой теории. Большой взрыв — это просто представление о том, что Вселенная на ранних этапах была сверхплотной и горячей. С такой точки зрения это точно установленный факт, о чем свидетельствует реликтовое излучение. Оно образовалось в момент рекомбинации ионов в плазме (объединения электронов и ядер в атомы), когда ее температура была около 3000 К, а Вселенной было 380 тысяч лет.

Представление о большом взрыве зародилось, когда Фридман обнаружил нестационарные решения уравнений Эйнштейна. Когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, господствовали представления о стационарной (неизменной во времени) Вселенной. Оказалось, что у уравнений Эйнштейна нет стационарных решений. После небольшой модификации такие решения нашлись, но они оказались неустойчивы. Это легко понять: если в какой-то области материи больше, чем в остальных, то она и дальше уплотняется под действием притяжения. Так вот, фридмановские решения описывают расширяющуюся однородную Вселенную. Современные космологические модели основаны на них. И первое свидетельство в их пользу — разбегание галактик — было открыто Хабблом.

Николай: Фотон, зародившийся, скажем, при взрыве сверхновой, будет лететь до тех пор, пока не поглотится веществом. Но если предположить, что этот самый фотон не встретил на своем пути вещество, то он, получается, должен лететь вечно. Раз так, то и Вселенная должна быть бесконечной. Логично ли это с точки зрения теорфизики, вечное движение — бесконечная Вселенная?

Это логично, если предположить, что Вселенная должна описываться специальной теорией относительности, в которой пространство (несмотря на «объединение» со временем в пространство-время) плоское, однородное, в общем, такое, к которому мы привыкли. Однако с данными наблюдений такая картина не согласуется. Мы наблюдаем расширяющуюся Вселенную, и для ее описания нужно применять общую теорию относительности.

Если это сделать, то получается, что возраст Вселенной — 13 миллиардов лет, поэтому даже фотон, испущенный сразу после рождения Вселенной, не может улететь сколь угодно далеко. Более того, пространство расширяется, объекты со временем становятся дальше друг от друга, и фотону требуется больше времени, чтобы долететь из точки А в точку Б, чем расстояние АБ в момент испускания, деленное на скорость света. А если расширение Вселенной ускоренное («скорость» А относительно Б растет со временем; именно это впервые наблюдали в 90-х и за это дали Нобелевскую премию в прошлом году), то существуют такие достаточно удаленные друг от друга точки А и Б, что свет от А вообще никогда не дойдет до Б.

Такой взгляд на распространение света во Вселенной предлагает современная теоретическая физика. А вопрос о бесконечности Вселенной открыт. По всей видимости, ее размер гораздо больше видимой части, то есть больше десятков  миллиардов световых лет.

Антон: В одном месте вы пишете, что «Общая теория относительности дает ответ на вопрос, что такое гравитация. Эта теория неплохо работает и объясняет наблюдения. Отклонений от нее не найдено.»  А в другом «Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории.»

Оказывается, проще ввести темную материю, чем заподозрить, что у ОТО возможны отклонения?

Дело в том, что для описания скоростей звезд в галактиках можно применять обычный ньютоновский закон всемирного тяготения, который проходят в школе. На масштабах галактики эффекты ОТО гораздо меньше, чем наблюдаемое отклонение скоростей от теоретических предсказаний. Получается, что нужно подозревать в неточности не ОТО, а сам закон всемирного тяготения.

Разумеется, были и попытки изменения этого закона, однако они были обречены на провал, потому что зависимость скорости звезд от расстояния до центра у каждой галактики своя. Не получается изменить закон всемирного тяготения так, чтобы объяснить все результаты наблюдений галактик. Поэтому была высказана гипотеза о существовании темной материи. В одних галактиках ее много, в других почти нет. Из-за этого и вращение в галактиках происходит по-разному.

Есть и другие свидетельства существования темной материи. Вот, например, космологическое свидетельство. Если бы вся материя была барионной, взаимодействующей с излучением, то при расширении Вселенной с момента рекомбинации зародыши неоднородности распределения материи (которую мы сейчас наблюдаем как неизотропность реликтового излучения) не смогли бы вырасти в скопления галактик, как это, очевидно, произошло.

Такое несоответствие объясняется тем, что в момент рекомбинации неоднородность распределения темной материи была больше, и потом обычная материя «упала» туда, где уже собралась темная материя, и сжалась в скопления галактик, галактики и т. д.

Бозон Хиггса, ускорители, квантовая физика

Виктор: Значение открытия новой частицы — претендента на роль бозона Хиггса освещается специалистами неоднозначно. Хотелось бы услышать ваше мнение.

Здесь всё просто. Есть стандартная модель, которая прекрасно описывает результаты экспериментов. В стандартной модели есть неоткрытая частица — бозон Хиггса. И вот на ускорителе находят частицу, распадающуюся как бозон Хиггса. Скорее всего, это он и есть, обратное маловероятно.

Аркадий: В связи с открытием бозона Хиггса на основе уже имеющихся данных можно ли сказать, что масса легких частиц образуется по тому же механизму, что и масса тяжелых? И есть ли взаимосвязь между «легкостью» лептонов и кварков и несоответствием Стандартной модели «интенсивности» распада бозона Хиггса как раз на этих каналах?

Большинство ученых сходится в том, что масса фундаментальных частиц стандартной модели (кварков и лептонов) определяется взаимодействием с неким скалярным полем, имеющем в силу некоторых причин в каждой точке пространства одинаковую величину (вакуумное среднее; выпадает в «конденсат»).

Если верна стандартная модель, то бозон Хиггса — это возмущение того самого скалярного поля. В суперсимметричном варианте стандартной модели целых два вакуумных средних (за одно цепляются «верхние» кварки и нейтрино, за другое — «нижние» кварки и заряженные лептоны) и пять хиггсовских бозонов, легчайший из которых похож по свойствам на хиггсовсий бозон обычной стандартной модели. Пока что слишком мало данных, чтобы понять, какой вариант реализуется на самом деле. Может быть, это что-то третье.

В названных моделях механизм не зависит от конкретных значений масс частиц. Связь между массой частиц и вероятностью их появления при распаде бозона Хиггса простая: чем легче частицы, тем труднее хиггсовскому бозону распасться на них, потому что и за приобретение массы частицами, и за распад Хиггса отвечает одно и то же взаимодействие.

Аркадий: Не затруднит ли простым языком описать проблему иерархии. Почему именно на бозон Хиггса влияние полей ведет к взлету энергии, а в случае других частиц вписывается в стандартную модель?

Масса частиц (как и другие характеристики взаимодействий) в квантовой теории поля приобретает петлевые поправки. Например, электрон может в некий момент испустить и тут же поглотить виртуальный фотон. Конечно, это некоторое упрощение реальности. Но слагаемое в математическом выражении, описывающем поправки, можно наглядно представить именно таким образом.

Оказывается, что подобная петлевая поправка бесконечна. На пальцах это означает, что чем ближе мы подбираемся к электрону, тем больше вокруг него всяких виртуальных частиц. Это неприятно, но с этим можно примириться, если предположить, что собственная масса «голого» электрона равна «минус бесконечности» и, складываясь с бесконечно большой массой «шапки» виртуальных частиц, дает конечную наблюдаемую массу.

Но стандартная модель не может описывать физику для всех расстояний (или энергий), хотя бы потому, что не включает в себя гравитацию. Как вычислять поправку, связанную с «новой физикой», неясно. Ясно одно: поправка, вычисленная в стандартной модели, перестает быть бесконечной, хотя и остается большой. Теперь мы должны считать, что собственная масса голого электрона не бесконечная, хотя и очень большая (по абсолютной величине, по знаку отрицательная). Проблема иерархий состоит в том, что если эти два числа большие, они должны быть подогнаны очень хорошо, чтобы большая поправка и большая собственная масса почти сократились и дали небольшую наблюдаемую массу.

Для простоты я рассказал о петлевых поправках на примере электрона, но для него не существует особой проблемы, потому что поправка к массе растет медленно, как логарифм той энергии, на которой проявляется новая физика. Единственная частица стандартной модели, для которой поправка растет очень быстро (как сама энергия) — это бозон Хиггса. Причина различий поправок в конечном итоге связана со спином частиц. Хиггсовский бозон — единственная частица стандартной модели с нулевым спином.

Когда говорят о проблеме иерархий, приводят два масштаба энергий: 100 ГэВ в стандартной модели (в этом районе находится хиггсовское вакуумное среднее, массы W- и Z-бозонов) и 1019 ГэВ (планковская энергия, предположительно здесь начинает работать квантовая гравитация). Сами видите, с какой точностью должны быть подогнаны числа из 19 знаков, чтобы после вычитания давать массу бозона Хиггса в 125 ГэВ.

Антон: «В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд.» При приближении чего к электрону? Любой материальной частицы?

«На пальцах это означает, что чем ближе мы подбираемся к электрону, тем больше он начинает испускать и поглощать всяких виртуальных частиц.» Опять таки, какая-то детективная история:-) — «Мы подбираемся».

Поподробней, пожалуйста.

Скорее это образный язык, за которым стоит соотношение неопределенностей Гейзенберга: если вы хотите исследовать малые расстояния, то вам нужны частицы с большими импульсами (и энергиями).

На опыте частицы сталкиваются друг с другом. Например, чтобы сблизить два электрона, их нужно разогнать. Чем больше энергия, тем меньше предельное расстояние между ними.

Антон: Считаете ли Вы, что открытие в 2012 году частицы, очень похожей на бозон Хиггса, — пока главное научное событие 21-го века?

Про всю науку говорить не буду, но в физике, похоже, это действительно одно из главных событий. Хиггсовский бозон был предсказан почти полвека назад. Его открытие ожидалось на нескольких предыдущих ускорителях. Неудача объясняется тем, что теория не предсказывает массу бозона Хиггса. Как мы сейчас знаем, он в 130 раз тяжелее протона, и предыдущие ускорители разгоняли частицы до меньших энергий.

Антон: Другой кандидат на главное событие текущего века — превышение скорости света на 0,0026 %, тоже зарегистрированное на LHC.

Да, такой результат был получен на эксперименте «Опера» в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, но большинство физиков к нему отнеслись с недоверием, потому что он вступает в противоречие с огромным количеством фактов, подтверждающих специальную теорию относительности.

После предварительной проверки в качестве причины задержки называли кабель, идущий от приемника GPS к плате в компьютере. Результат «Оперы» был перепроверен соседним экспериментом «Икарус», работающем с тем же источником нейтрино в Церне, и он не подтвердился.

Забавно, что пока результат не был опровергнут, некоторые пытались «объяснить» его в рамках своих (не поддерживаемых сообществом) теорий.

Антон: Оба детектора (СMS и ATLAS) установили, что вероятность распада хиггсона на два фотона в 2 раза выше, чем предсказано Стандартной моделью. Если это подтвердится с достаточной статистической значимостью, то как это отразится на Вашей работе?

Пока трудно сказать, это может оказаться намеком на «новую физику» за пределами стандартной модели. Но в принципе этот результат не должен идти в отрыве от других результатов, которые будут получены к тому времени.

Антон: При переходе от модели Резерфорда к Стандартной модели электрон так и остался неделимым. Очень интересен вопрос о том, как же он всё-таки «раздваивается» при прохождении через две щели. Какова вероятность, что в 21 веке могут быть найдены составные части электрона?

Нужно понимать, что наличие в квантово-механическом объекте составных частей и интерференция в двухщелевом эксперементе — это не связанные друг с другом вещи. Интерференция наблюдается и на пучках атомов, и на пучках крупных молекул, содержащих до сотни атомов.

По современным представлениям электрон неделим, в отличие от атома, который состоит из электронов и ядер, или от протона, в котором можно найти связанные глюонами кварки.

Проще всего считать, что электрон — это не простая точечная частица, а размазанный, протяженный объект. Когда он попадает на фотопластинку, на ней чернеет только одно зерно. Такова особенность квантовых объектов: они проявляют точечные свойства, когда результат взаимодействия может быть зарегистрирован.

При этом электрон проходит сразу через две щели, потому что нельзя разобрать, через какую именно щель прошел электрон. Можно попытаться это выяснить с помощью источника света и детектора. Но оказывается, что когда мы узнаем, через какую щель проходит частица, интерференционная картина разрушается.

Эта штука иногда называется корпускулярно-волновым дуализмом, иногда коллапсом волновой функции. Но понять это совершенно невозможно, можно только делать формальные предсказания и наблюдать их подтверждения во множестве экспериментов.

Арадий: В принципе, вы написали, наверно, наиболее просто, как только возможно это объяснить. Просто мы (не физики) пытаемся представить себе все натурально. Однако, эти поправки возникают на уровне формул... Попытки же представить себе все увеличивающееся количество различных мезонов, лептонов и т.д. при «приближении» камеры к шарику с буковкой «е» на боку приводит к истерии на грани тихого помешательства :)) Хотя так все понятно — чем мощнее шандарахнуть 2 частицы, тем на большее количество новых частиц все это великолепие разлетится, а увеличение мощности столкновения для физиков и есть «приближение» камеры.

В общем, всё верно. Дело в том, что наш мозг не приспособлен для исследования таких вопросов, поэтому, например, квантовую механику невозможно представить наглядно. Чтобы сделать какие-нибудь предсказания, нужно записать уравнения, решить их и понять, что означает результат. После работы с формулами у физиков, конечно, появляется определенная интуиция, но со стороны она, наверно, выглядит, как шаманство :)

Поделиться
Посмотрите в блоге

Комментарии

#1. 5 сентября 2012 года, 09:47. Антон Никонов пишет:
Роман Парпалак пишет:

Проще всего считать, что электрон – это не простая точечная частица, а размазанный, протяженный объект.
Полагаю, что в рамках этой аналогии дело можно представить так:

Возьмём природный размазанный, протяженный макрообъект — облако. Оно вполне может пройти через две щели. Передняя часть облака разделяется на два щупальца, задняя остается целой. Каждое из щупалец проползает через щель и затем, позади щели, щупальца воссоединяются. И только после этого задняя часть тоже разделяется на щупальца, которые в свою очередь проползают через щели и присоединяются к передней части облака.
Итог — облако прошло через обе цели, изменив, а затем восстановив форму, но сохранив целостность.
Роман Парпалак пишет:

Эта штука иногда называется корпускулярно-волновым дуализмом, иногда коллапсом волновой функции. Но понять это совершенно невозможно
Человек всё равно будет стремиться к пониманию всех явлений во Вселенной. Уже упоминавшийся мной Дойч дошёл до того, что объяснил явление интерференции _одного_ электрона(фотона) с помощью мультиверса. При этом он признаёт, что никаким другим способом мультиверс себя в реальном мире не проявлет. Только при одном-единственном явлении.
И Дэвид меня не убедил.
Так вот, задавая свой вопрос я надеялся не столько на то, что Вы мне объясните, как большинство современных физиков смотрят на это явление, а на то, что лично Ваша, Роман, точка зрения отличается от мнения большинства и я узнаю, что-то новое.

Задавая следующие вопросы, я хотел бы также знать во всём ли Вы согласны с мнением большинства физиков и других учёных.

Верите ли Вы в наступление технологической Сингулярности не позднее 2045 года?

Верите ли Вы в достижение биологического бессмертия человека в этот же срок?

Верите ли Вы в достижение виртуального бессмертия человеческого мозга в этот же срок?

Мне, конечно, хочется верить в такие вещи, ибо экспоненциальность развития множества технологий очевидна. Но, по мнению Панова, количество научных публикаций снижается с 2007-го года. И есть опасения, что процесс развития затормозится, так и не дойдя до Сингулярности.

Сингулярность — довольно размытое понятие, но в данном случае я имею в виду такие достижения человечества, которые позволят создать изобилие материальных ценностей, исключающее необходимость зарабатывать на жизнь, а также бессмертие хотя бы в одном из двух вышеприведённых вариантов.
#2. 9 сентября 2012 года, 18:37. пишет:
Я бы не стал вдаваться в столь детальные описания облака и щупалец. Всё равно это всего лишь аналогия.

А почему 2045 год? Да и срок большой, с оценками нужно быть аккуратнее. Наверняка после создания первых ЭВМ специалисты и популяризаторы предсказывали скорое создание искусственного интеллекта. А за полвека так ничего и не сделали.

Сейчас мне кажется, что за это время не получится добиться бессмертия.

В то же время на создание изобилия материальных ценностей нет технических ограничений. Всё дело в социальных причинах: похоже, человечество к этому не готово.
#3. 11 сентября 2012 года, 10:28. Антон Никонов пишет:
Думаю, что 2045 год — это не более чем красивое число, взятое на основе очень приблизительных расчётов. 30-летний Ицков основал движение, объявив бессмертие национальной идеей и нанял 30 учёных для её реализации. Впрочем, более подробно 2045.ru
Большинство исследователей сходятся, что Снгулярность наступит между 2020-м и 2030-м годами, когда производительность современных компьютеров превысит производительность человеческого мозга.
Производительность Секвойи по данным на июнь 2012-го уже составила свыше 16-ти Петафлопс (1,6*10^16 флопс). А вот в оценке мозга ученые имеют гигантские расхождения:
от 10^14 до 10^23 флопс.

Согласен, что непонятно, удастся ли создать ИИ, даже если производительность компьютера на много порядков превзойдёт человеческую. Но вполне возможен симбиоз человека и компьютера. И уже кое-что сделано. Взять хотя бы Хокинга.
#4. 13 сентября 2012 года, 16:55. Аркадий пишет:
Роман, новая порция вопросов по Вашу душу:)))
1) Нам известно 2 типа ядерных взаимодействий: сильные и слабые. Сильные — конфайнмент кварков с помощью глюонного облака (переносчик — глюон); отвечает за «монолитность» нуклона. Слабые — распад нейтрона с вылетанием нейтрино (переносчик — калибровочные бозоны). Но я не нахожу среди них взаимодействие, отвечающее за стабильность ядра. Что удерживает протоны и нейтроны вместе? Или просто в учебнике физики не четко расписали сферу действия слабого взаимодействия... Там кстати, сильное взаимодействие объясняется П-мезоном, хотя год издания 2009, ну это видимо, из-за того, что при попытке выбить единичный кварк вылетает как раз П-мезон.
2) Задача века — сможете понятным языком объяснить, что такое спин? :))) Окуня вообще не понимаю, извините...
3) Как понять, что масса глюонов равно нулю, а 99% массы нуклона заключена в глюонном облаке? Почему отдельный глюон не цепляется за поле Хиггса, а их «кучка» здорово цепляется и «раздувается» при сообщении ему энергии?
#5. 18 сентября 2012 года, 20:40. пишет:
1) Силы, удерживающие нуклоны в ядре, являются отголоском сильного взаимодействия между кварками. Слабое взаимодействие здесь не при чем.

В тридцатых годах прошлого века Юкава предложил модель, в которой притяжение между нуклонами объясняется обменом пи-мезона. Она годится как некоторое приближение, но суть явления точно не описывает.

2) Спин — это собственный (не связанный с каким-либо движением) момент импульса частицы :)

Частицы с ненулевым спином описываются волновой функцией из нескольких компонент. Каждая компонента определяет вероятность того, что проекция спина на выделенную ось (обычно это направление магнитного поля в рассматриваемом эксперименте) примет определенное значение. Спин может принимать только целые или полуцелые значения (в единицах постоянной Планка). У спина s есть 2s+1 компонента (значение проекции спина может быть от -s до +s).

Математически можно построить многокомпонентные величины (векторы-столбцы) и определить на них такие преобразования (реализуемые матрицами), которые устроены так же, как и повороты пространства. Иными словами, я могу в каждой точке пространства определить набор из нескольких чисел и установить правила, по которым эти числа преобразуются друг через друга осмысленным образом при поворотах. Под «осмысленностью» понимается возврат к первоначальному значению при обратном повороте, согласованность изменения значений при последовательных поворотах и т. д.

Самые известные примеры — это однокомпонентное скалярное поле (например, значения давления и температуры в разных местах) и трехкомпонентное векторное поле (например, скорость течения жидкости в разных точках, электрическое поле). Однако можно построить величины с любым количеством компонент.

Оказывается, что такие многокомпонентные математические объекты удивительно точно описывают некоторые особенности поведения частиц. Разным особенностям отвечают разное количество компонент, то есть разные значения спина.

Интересным свойством частиц оказывается то, что их магнитный момент пропорционален спину. Поэтому наиболее ярко спин проявляется в пространственном разделении пучка частиц в неоднородном магнитном поле в опыте Штерна — Герлаха: http://ru.wikipedia.org/wiki/Опыт_Штерна-Герлаха

3) Хиггсовский механизм дает массу только фундаментальным частицам стандартной модели: кваркам, лептонам, W- и Z-бозонам. Но это не единственный механизм генерации массы. Например, если взять ящик с идеально отражающими стенками и запустить в него свет, то за счет постоянных отражений, светового давления и эффекта Доплера на ускорение такого ящика понадобится дополнительная сила. А по второму закону Ньютона F=ma это и есть масса, хотя у фотонов массы нет. Можно считать, что глюоны внутри протона аналогичны фотонам в ящике.
#6. 11 ноября 2012 года, 19:56. Аркадий пишет:
Роман, доброго времени суток. Давно не спрашивал, но, поверьте, не оставил попытки разобраться )).
Недавно натолкнулся на статью и видео лекции В.А. Рубакова от октября этого года по Хиггсу. Очень интересно, только вот возник опять вопрос к Вам.
Он, к сожалению, прямо не касается, но дает понять, что гравитация и масса элементарных частиц чуть ли вообще не несвязанные между собой вещи. Мол, поле Хиггса (ПХ) само по себе, а за гравитацию отвечает неоткрытый пока гравитон.
Я же был уверен, что ПХ дает частицам массу (ну или это один из источников, если почитать Ваш комментарий по образованию массы глюонного облака), а потом эта масса складывается в массы уже макротел (например, планет) и формирует гравитацию через гравитационную постоянную Ньютона (F=GmM/R2). Ну как-то так не помню точно формулу.
Разъясните плиз, что это за гравитон и все-таки как формируется сила притяжения между макротелами.
Спасибо.
#7. 13 ноября 2012 года, 21:39. Дилетант пишет:
Бозон Хиггса уже открыли (почти наверняка :)) а гравитон существует пока только в некоторых расчетах, и насколько я понял, большинство моделей с уже открытым бозоном не требуют наличие гравитона как такового, думаю, что лет через 10 (десять) о гравитоне будут говорить, как о тахионе сейчас, т. е. произносить это название вслух будет некультурно :=D

У меня тоже есть вопросы:
1. Каким образом вписывается «гипотеза всего одного электрона» в стандартную модель, потому что идея в свое время всколыхнула научный мир.
2. Есть ли нормальное объяснение сцепленности (связанности) частиц, кроме как утверждения о том, что это не противоречит квантовой механике. Вот Энштейн такое «кошмарное дальнодействие» вполне себе явно невзлюбил. Ведь на этом в принципе основаны все опыты по телепортации, а непротиворечивого объяснения нет((
3. Подтвердились ли опыты с «обратимым коллапсом волновой функции», когда исследователи могли «приостановить» процесс, для того чтобы попробовать его снова... и так далее... до получения нужного результата? Ведь фактически это может позволить осуществлять сверхсветовую связь, при помещении источника сцепленных фотонов между двумя приемо-передающими сторонами.

вот задумываюсь в последнее время над этими вопросами))
#8. 18 ноября 2012 года, 14:09. пишет:
Гипотеза одного электрона никак не вписывается в стандартную модель. И в обычной формулировке квантовой теории поля ее нет.

Видимо, под словом «нормальное» вы понимаете «привычное, понятное здравому смыслу». В квантовой механике многое непривычно для нас, но «нормально» и «естественно» для микромира, в чем мы постоянно убеждаемся на опыте. Разве может человек признать нормальным то, что наличие второй щели в двухщелевом эксперименте запрещает электрону попадать в те места экрана, куда он спокойно мог попасть только через одну щель?

Конечно, можно не любить запутанность и «дальнодействие», но от этого оно не перестанет наблюдаться в эксперименте :)

Я не могу сейчас прокомментировать «обратимый коллапс волновой функции». Скорее всего, речь идет о специальных видах квантовомеханического измерения. Но о революционных вещах вроде сверхсветовой связи в научном сообществе ничего не слышно.
#9. 18 ноября 2012 года, 14:09. пишет:
Аркадий, вы правы. Притяжение между макроскопическими телами это (в хорошем приближении) суммарный эффект от притяжения между составляющими их частицами. Например, под действием земной гравитации электроны, нейтроны, атомы «падают» точно так же, как и другие тела.

С теоретической точки зрения, чтобы обеспечить полноту и последовательность описания, нужно проквантовать гравитацию. Хотя пока не ясно, как это сделать, но в первом приближении можно считать, что гравитационные волны состоят из гравитонов, как и электромагнитные волны из фотонов.

Из-за слабости гравитации на эксперименте не наблюдались даже гравитационные волны, не говоря уже об отдельных гравитонах.
#10. 16 декабря 2012 года, 20:07. пишет:
Добрый вечер! В эзотерическом интернет журнале «Рассвет Сознания» в категории «метафизика» опубликованы несколько статей касающихся общих принципов построения Вселенной на примере построения Солнечной системы. Статьи под №8,7,6. Хотелось-бы знать Ваше мнение как физика относительно этих статей.
#11. 16 декабря 2012 года, 21:26. пишет:
Что ж вы, Владимир Иванович, не привели ссылки на них: http://melhisedek.ru/filosofia-i-mudrost/metafizika

В целом там написана полная хрень, рассчитанная на малообразованных читателей.
#12. 20 декабря 2012 года, 01:02. Владимир Рудаков пишет:
Уважаемый Роман!

Опять же про глюон. Я понимаю, что глюоны в том же протоне, например, не движутся со скоростью света.
Но, с другой стороны, имея нулевую массу они вроде бы должны двигаться постоянно со скорость света.

В голове не укладывается этот парадокс...
#13. 21 декабря 2012 года, 10:55. пишет:
Владимир!

Утверждение о том, что безмассовые частицы движутся со скоростью света, верно для свободных частиц. Глюоны внутри протона являются не свободными частицами, а виртуальными.

О виртуальных частицах неплохо написано в Википедии: http://ru.wikipedia.org/wiki/Виртуальная_частица
Это скорее абстракция, чем реальный физический объект.

Если продолжать разговор о протоне и его составных частях, глюонах и кварках, то нужно отметить, что эти составные части имеют так называемый «цветовой заряд» и не могут вылететь из протона: http://ru.wikipedia.org/wiki/Конфайнмент
#14. 30 марта 2013 года, 08:27. пишет:
Роман, и снова здравствуйте :)))

Скажите, пожалуйста, квантовая теория поля относится только к частицам-переносчикам взаимодействия или к «реальным» частицам тоже? Если я правильно понял, теория поля распространяется на все частицы, но как тогда понять, почему так долговечны некоторые кванты этого поля (электроны, нуклоны). В тоже время «осознать» квантами полей частицы-переносчики как-то довольно легко. Вроде как есть равномерно разлитые поля (где-то скалярные, где-то векторные, рапространяющиеся), начнешь с ним взаимодействовать (например, реагируешь на электро-магнетизм) — появляется из поля квант... Ну как-то логично. А вот понять, почему из поля появляется квант и, ничего не делая, родившись без особых причин, живет миллиарды лет...

Роман, расскажите, пожалуйста поподробнее про петлевые поправки и теорию вакуума. Недавно читал, что они (поправки) t-кварка на бозон Хиггса при определенных соотношениях масс этих частиц могут привести к «переорганизации» строения вещества (переход из одного энергетического состояния вакуума в другой, более выгодный). Т.е. не «могут привести», а вероятность этого события может стать гораздо большей, нежели «бесконечно мала, в пределах статистической погрешности». Я так понял петлевая поправка сама по себе, это взаимодействие частицы с виртуальной парой, рожденной в вакууме и не успевшей аннигилироваться. Но, вроде, считается, что это рождение/аннигиляция происходит постоянно. Как же тогда считается сколько будет поправок в течении времени жизни частицы (на определенном расстоянии пролета)? Не превратятся ли эти поправки в бесконечность для долгоживущих частиц? И почему мы не наблюдаем энергию вакуума, ведь аннигиляция частицы-античастицы должна сопровождаться образованием фотонов? Тогда получается вакуум должен «светится» постоянно.
Пардон за глупости :))) И заранее спасибо, что отвечаете, не забросили нас...
#15. 30 марта 2013 года, 16:52. пишет:
Квантовая теория поля описывает все поля: и поля материи (например, электрон-позитронное), и поля взаимодействий (например, электромагнитное). Принципиальная разница между ними заключается в том, что кванты полей материи — это фермионы, частицы с полуцелым спином. Переносчики взаимодействий — бозоны, частицы с целым спином.

Принцип Паули запрещает фермионам находиться в одном и том же состоянии. Для бозонов такого запрета нет. Поэтому, например, в одном состоянии (с определенным импульсом и поляризацией) может находиться много фотонов, грубо говоря как в лазерном луче.

В процессах на уровне отдельных частиц нет большой разницы между бозонами и фермионами. Нужно понимать, что время жизни частиц не связано с их спином. Частицы рождаются и исчезают в результате взаимодействий с другими частицами. Например, если в системе нет заряженных частиц, то число фотонов в ней остается неизменным. И наоборот, если бы вокруг электронов присутствовали их античастицы, позитроны, то довольно быстро от них ничего бы не осталось.

Еще частицы могут распадаться. Но за распад тоже отвечают взаимодействия. И он происходит, если частице есть куда распадаться. Например, мюон распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино, потому что электрон в 207 раз легче мюона. Если бы электрон был тяжелее мюона, то ситуация была бы обратной. Аналогично и с переносчиками взаимодействий: тяжелые W- и Z-бозоны очень быстро распадаются на легкие кварки и лептоны.

Таким образом, стабильность электрона обусловлена тем, что это легчайшая заряженная частица в мире без антиматерии.

Виртуальные пары частиц и античастиц, возникающих и аннигилирующих в вакууме, вносят вклад в энергию вакуума: http://ru.wikipedia.org/wiki/Энергия_вакуума
К петлевым поправкам они не имеют отношения.

Вакуум — это состояние полей с наинизшей энергией. Метастабильность вакуума и переходы между возможными вакуумными состояниями возникает в квантово-полевых моделях с необычной зависимостью энергии состояния от величины поля, если есть два или несколько локальных минимума энергии. Если мы живем не в самом «глубоком» минимуме, то за определенное время можем «протуннелировать» в него. В настоящее время вопрос о присутствии в настоящем мире нескольких вакуумных состояний и их связь с бозоном Хиггса является предметом спекуляций. Сколько-нибудь надежных свидетельств этому нет.
#16. 18 июля 2013 года, 04:08. пишет:
Кто там писал о «Технологической сингулярности» не позднее 2045 года??!
Вы в своем уме?
Несмотря на выбранный нашей цивилизацией технический путь развития, социально мы скатываемся в коллапсирующую деградацию эпохи средневековья...Служите и дальше энергетическим источником питания для генераторов вырабатывающих рефлексивный синдром потребительства:))
#17. 22 июля 2013 года, 17:20. Дмитрий пишет:
Роман, добрый день! Поясните, пожалуйста, почему, как вы считаете, почему в нашей вселенной так мало антивещества и что могло послужить причиной, так сказать, выбора природой при рождении Вселенной в пользу вещества, а не антивещества? И ещё — если есть тёмная материя, может ли существовать и для неё «антитёмная» материя?
#18. 24 июля 2013 года, 12:49. пишет:
По первому вопросу к статье на википедии мне нечего добавить:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Барионная_асимметрия

Есть ли антиматерия у темной материи — зависит от того, что она собой представляет. Например, в суперсимметричных теориях есть хороший кандидат на роль частицы темной материи — нейтралино. Нейтралино — истинно нейтральная частица, совпадает со своей античастицей. Кстати, в истинной нейтральности ничего удивительного нет. Фотон, например, тоже истинно нейтральный, не отличается от антифотона.
#19. 21 октября 2013 года, 00:40. ДмитрийП пишет:
Здравствуйте, Роман

1. Почему электрон является элементарной частицей, ведь в квантовой теории поля он является возмущением по крайней мере 2 полей — электронного и электромагнитного?

2. Является ли спин возмущением отдельного спинового поля?

3. Если электрон стабилен как самая легкая заряженная частица, то протон точно нестабилен?

4. Почему ускорение разбега галактик объяснено темной энергией, а не изменением физических постоянных от времени/расстояния?
#20. 21 октября 2013 года, 21:27. пишет:
Возмущение электромагнитного поля — это фотоны, а не электроны. Электрон считается элементарной частицей потому, что выводы из теории, где он элементарен, совпадают с экспериментальными наблюдениями.

Спин — это свойство частиц, вроде массы и заряда. «Спиновых полей» не существует.

Действительно, электрон стабилен, если электрический заряд сохраняется, потому что более легкой заряженной частицы не существует. Протон может быть стабильным по аналогичным соображениям, из-за сохранения так называемого «барионного числа». В стандартной модели барионное число сохраняется. В других теориях (например, в разных вариантах Великого объединения взаимодействий) барионное число может не сохраняться, что дает конечное время жизни протона, хотя и очень большое.

Ускоренное расширение приписывается темной энергии, потому что в уравнениях Эйнштейна темная энергия представляется несложным слагаемым. Оно характеризуется одним числом — плотностью темной энергии, которая одинакова во всей Вселенной. Изменение физических постоянных в пространстве и времени — это куча разных чисел в каждой точке. Первая теория проще. Физики будут придерживаться ее, пока не будут обнаружены противоречия с наблюдениями. Соображения простоты и красоты физических теорий и принцип бритвы Оккама еще никто не отменял.

Оставьте свой комментарий

Ваше имя:

Комментарий:

Для выделения используйте следующий код: [i]курсив[/i], [b]жирный[/b].
Цитату оформляйте так: [q = имя автора]цитата[/q] или [q]еще цитата[/q].
Ссылку начните с http://. Других команд или HTML-тегов здесь нет.

Сколько будет 74+4?