Что такое масса?

[clynch]

Вот такой вот мучащий современных физиков вопрос.
Приблизительно 70% массы-энергии Вселенной сосредоточено в так называемой темной энергии, которая непосредственно не связана с частицами.
Остальные 30% массы-энергии Вселенной существуют в виде вещества, частиц с массой. Самый знакомый вид вещества - протоны, нейтроны и электроны. Большая часть этой массы обусловлена энергией движения кварков и глюонов,образующих протоны и нейтроны.
Меньший вклад в вещество Вселенной вносят нейтрино, массы которых еще не измерены, но, по имеющимся данным, их верхний предел не превышает 0,5% массы Вселенной.
Оставшиеся 25% массы-энергии Вселенной составляет невидимое нам темное вещество (темная материя), о существовании которого свидетельствует его гравитационное влияния на наблюдаемые нами объекты.Существует гипотеза о частицах темного вещества --- самый легкий суперпартнер (ЛСП). Он появляется в расширениях Стандартной модели, называемых Суперсимметричными Стандартными моделями (ССМ). Судя по всему, масса ЛСП приблизительно равна 100 массам протона.

А как быть с массой покоя элементарных частиц,которые образуют более крупные "шлакоблоки Вселенной"?
Здесь бедные физики предлагают другой механизм образования массы -- теория поля Хиггса.Соответствено как и у любого квантового поля у поля Хиггса существуют кванты -- бозоны Хиггса.
Согласно современной физической теории, массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса.У сего поля есть(как обычно) несколько особенностей:
Спин бозона Хиггса равен нулю, в следствие этого данное поле может входить в лагранжиан(математическая функция, входящая в основу Стандартной модели и показывающая, как взаимодействуют различные частицы) необычными способами, что, в свою очередь, обусловливает остальные его особенности.
Вторым свойством поля Хиггса является то,что в естественном состоянии с самой низкой энергией Вселенная повсюду пронизана полем Хиггса.
Другая черта поля Хиггса связана с особенностями его взаимодействия с другими частицами. Они ведут себя так, будто имеют массу, пропорциональную напряженности поля, умноженной на силу взаимодействия.

 

[Lord-Aries]

Что собственно за вопрос темы в сабже? Я думаю, что господину clynch вопрос сей ясен. Да, возможно, сведения, приводимые в посте интересны, но у меня так сказать вопрос к докладчику, какое применение имеют эти данные в науке и чем доказана их правдоподобность?
Да, и не совсем систематизированны на мой взгляд сведения. Подходы есть. но чего и кого же получилось в результате конкретно понять сложно

 

[clynch]

К сожелению Я только отметил вопрос о теории полей Хиггса.
Пока ученые не могут точно сказать, сколько существует видов полей Хиггса.В суперсимметричных стандартных моделях (ССМ) необходимы по крайней мере два различных вида полей Хиггса, взаимодействие с которыми наделяет каждую частицу Стандартной модели массой. Эти поля также придают часть массы (но не всю) суперпартнерам. Два поля Хиггса приводят к пяти разновидностям бозонов Хиггса: три из них электрически нейтральны и два заряжены. Массы нейтрино очень малы по сравнению с массами других частиц и могут возникать из этих взаимодействий косвенно или быть связанными с еще одним, третьим видом поля Хиггса.
У теоретиков есть несколько причин считать, что ССМ-картина взаимодействий Хиггса окажется правильной. Во-первых, без механизма Хиггса W- и Z-бозоны, которые являются посредниками в слабых взаимодействиях, были бы безмассовыми, как фотон (с которым они связаны), и слабое взаимодействие было бы таким же сильным, как электромагнитное. Согласно теории, механизм Хиггса придает массу W- и Z-бозонам весьма специфическим образом. Предсказания, основанные на этом положении (например, отношения масс W- и Z-бозонов) были подтверждены экспериментально.
Стандартной модель является взаимосвязанной теории, в которой трудно изменить одну часть (например, поле Хиггса), не затрагивая остальное. Например, результат измерений свойств W- и Z-бозонов привел к точному предсказанию массы верхнего кварка задолго до того, как он был получен экспериментально. Если бы механизм Хиггса был другим, это и другие предсказания оказались бы неверными.
Ученые могли обнаружить бозоны Хиггса, которые должны быть как минимум в 120 раз тяжелее протона, на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в CERN. Однако их так и не удалось зарегистрировать. Перед закрытием LEP в 2000 г. на пределе энергии и интенсивности было получено косвенное подтверждение существования бозона Хиггса: исследователи провели множество точных измерений, результаты которых дополнили сведения, собранные на Теватроне и на коллайдере в Стэнфордском центре линейных ускорителей. Весь набор данных хорошо согласуется с теорией только в том случае, если учитываются некоторые взаимодействия частиц с самым легким бозоном Хиггса, и если он не тяжелее 200 масс протона.
В ближайшие несколько лет единственным коллайдером, который мог бы дать прямое подтверждение существования бозонов Хиггса, будет Теватрон. Энергии столкновений в нем будет достаточно, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если удастся достигнуть требуемой интенсивности луча. На 2007 г. запланирован сбор данных на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, энергия которого в семь раз выше и который рассчитан на гораздо большую интенсивность, чем Теватрон. Ожидается, что он станет фабрикой бозонов Хиггса и будет производить множество частиц в день. Если LHC будет работать как запланировано, то сбор нужных данных и их интерпретация займут пару лет. Для проведения экспериментов, которые позволят окончательно убедиться в том, что масса обусловлена взаимодействием с полями Хиггса, потребуется новый электронно-позитронный коллайдер в дополнение к LHC и Теватрону.

 

[Sirin]

Lord-Aries, почему? Мы же обсуждаем науку и технику. Вот открытия в области черной материи и есть новинкой.

Собственно это очень даже интерестный вопрос. Мы много еще непонимаем в окружающей нас Вселенной. А о черной материи нам известно очень мало. Наряду с этим возникает вопрос о черной энергии, которая по мнению современных ученых занимает основную долю плотности энергии во Вселенной. Что известно о ней? Предполагается, что эта энергия небарионна и она не взаимодействует с электромагнитным излучением, а следовательно черная материя и энергия вещи разные (нерелятивистское темное вещество распределено в пространстве неоднородно и скучивается под действием гравитации во всех масштабах, а темная энергия нет). У нее сильно отрицательное давление. Для описания свойств темной энергии и сравнения со свойствами обычной материи (находя между ними анологию), которые необходимы для существования де-ситтеровской стадии в ранней Вселенной, используют математический аппарат инфляционного сценария. Наиболее простой возможностью является введение одного скалярного поля (Lambda-поля, или «квинтэссенции») с некоторым потенциалом самодействия, минимально связанного с гравитацией.

 

[Lord-Aries]

Lord-Aries, почему? Мы же обсуждаем науку и технику. Вот открытия в области черной материи и есть новинкой.

Сейчас в науке множество новинок. Интересует практическое применение данных знаний.
Есть ряд вопросов. Что такое бозон? Интересно услышать разницу между бозонами Хиггса и w и z бозонами. Откуда он, бозон Хиггса, берётся? А как? Да, и что же меняет нахождение данного бозона в нашем представлении о массе, скажем в микро и макро мире?

 

[Sirin]

На самом деле это не последний вопрос в науке. Бозон Хиггса - частица без которой невозможно обьяснить такое явление, как масса. Насколько я знаю, то уже доказано существование промежуточных бозонов.

 

[clynch]

Бозон Хиггса - частица без которой невозможно обьяснить такое явление, как масса.

На один вопрос уже есть ответ.
Бозоны -- кванты которые являются посредниками взаимодействия.W и Z бозоны -- посредники слабого взаимодействия.А отличаются все они массой , зарядом и спином.
Бозон Хиггса появляется при взаимодействии частицы с полем Хиггса.

 

[Lord-Aries]

У протонов тоже есть бозоны?

 

[Sirin]

Стоит уточнить, что бозон это квант, как подметил clynch. А квант это не частица, а единичное возмущение энергии поля (хотя это лишь приближенное определение). Тобишь бозон должен присутствоать.

Кстати, по поводу масс. Например кварк (субатомная частица) может быть в 200 раз тяжелее протона. Это удивительно, при его размерах (менее 10^{-17} см).

Вообще к чему вся эта тема, коль Lord-Aries интересуется. В классическойй интерпритации кванты полей не имеют массы, а это противоречит общему представлению о материи. W и Z бозоны примерно в 100 раз тяжелее протона. Такое разночтение обьясняется нарушением симметрии, в следствии взаимодействия частицы с неким скалярным полем. На ряду с этим возникает иной аспект - возможность существования суперсимметричных частиц и суперсимметричного мира (об чем толковали в теме о многомерных пространствах). Согласно этой теории все кванты имеют, так сказать, "братьев" (электрон-селектрон, фотон-фотино). И такие же частицы возможно являются искомой темной материей (о которой тоже сказанно было немало).

 

[Lord-Aries]

Бозон Хиггса - частица без которой невозможно обьяснить такое явление, как масса.

бозон это квант... А квант это не частица, а единичное возмущение энергии поля

Sirin, не поймите меня привратно, но обе цитаты - ваши. Так это корпускула или опять таки как со светом дуализм? Ну да ладно. Не это интерес вызывает. Как сии бозоны "наделяют" массой частицы, в особенности протоны. Крайне любопытно...

 

[Sirin]

Lord-Aries, да, да я там в первой цитате ошибся (конечно это квант, как фотон является квантом света).
По некоторым теориям пространство между частицами заполненно неким скалярным полем, полем Хиггса. Это поле не отделимо от пространства и не связанно с гравитационным полем. Вот и предложили гипотезу, что именно через взаимодействие с этим полем частицы обретают массу. Согласно квантовой теории должен существовать посредник взаимодействия, тобишь искомый бозон Хиггса.

 

[Lord-Aries]

Всё бы хорошо, а что наделяет сам бозон массой?

 

[Sirin]

Lord-Aries, хороший вопрос. Получается, что и бозоны, и кварки, и лептоны преобретают массу в результате взаимодействия с упомянутым выше полем Хиггса. Те частицы, которые подвергаются слабому взаимодействию с ним, преобретают малую массу, а те, что большему - соответственно, становятся тяжелыми. Тобишь масса это уже следствие.

 

[Lord-Aries]

Оно конечно может и так, однако логика такова, что если верны высказывания выше, то Бозон Хиггса обладает массой. Это утверждение помечаем (1). Однако, наделяет всё частицы и кванты массой это же Бозон Хиггса(2). Следовательно из 1 и 2, сам бозон Хиггса наделяет массой другой бозон Хиггса, который в свою очередь обладает той же массой? То есть поле взаимодействует само с собой. То есть, порождение одного бозона может вызвать, ну строго говоря неоднозначную реакцию самого поля? Ну, в принципе тут конечно много неясных ньюансов, и всё может быть так.

Однако интересен сей момент, что по сути получается, что масса есть всего лишь реакция на взаимодействие с полем Хиггса. Значит, это свойство временное. И поражает также крайняя однородность данного поля Хиггса, ибо если были бы значительные изменения микромира, в макромире было бы всё видно, я так считаю.
И в принципе, если данное поле можно было бы менять, появились огромные возможности. Опять же, если оно есть. Как я понял, доказательства его существования, а тем более параметры такого поля неизвестны...

 

[clynch]

Доказано только математикой.
В результате взаимодействия частицы с полем Хиггса порождаются два различных явления: приобретение массы частицей и возникновение бозона Хиггса.
Частицы и кванты взаимодействуют с бозонами Хиггса испуская, поглощая и рассеивая их.Необычные характеристики поля Хиггса возникают благодаря определенным взаимодействиям бозонов Хиггса друг с другом.

 

[Lord-Aries]

Эх но не вдаваясь в математические доказательства, вся теория выглядит нелогично. Что не лишает её права на существование, хотя насколько я понимаю, некоторые дыры в ней присутствуют

 

[Sirin]

Lord-Aries, дыры они есть во многих теориях. Что касается этой, то она сама по себе заполняет брежь в стндартной модели, однако имеет свои ньюансы и разночтения. Если доказанно будет, что все это сущий бред, то тогда стандартная модель будет устранена и ей на смену прийдут иные, - даже самые нереальные, - которые так и ждут себя проявить.

Что касается массы, то давайте уже обусловимся - по этой теории она получается от взаимодействия с неким полем. Частица обретает массу и при этом возникает бозон (тобишь квант поля, как возникают те же фотоны) - он не существует до этого процесса, так что и расхождений особых не вижу.

 

[Lord-Aries]

Ну, к вопросу о доказательствах. Крайне трудно доказать отсутствие часов, и гораздо легче - присутствие. Поэтому как бы принято доказывать существование, действительность...Так что приверженцам теории надо бы доказывать состоятельность, а не наоборот. Неясность в том, как поле, будучи однородным, наделяет свои же кванты массой. Где лимит образования бозонов? Опять же интересен характер взаимодействия бозонов друг с другом... Я не могу доказать, что этого нет... Я не специалист в данной области, и не владею последними научными данными. Но теория эта ещё далека от совершенной, во всяком случае, как я понял.

 

[Sirin]

Lord-Aries, вот на эти то вопросы ученые и пытаются ответить... Согласен, что нужно бы доказать состоятельность теории о поле Хиггса, но иногда можно пойти по пути исключения, только не в этом случае конечно. ИМХО реально теория не доказана, пока это лишь теория. Кстати при желании можно поговорить об альтернативных гипотезах.