Вы читаете plakhov

Не кинокритик. Не палеонтолог. - Что такое бозон Хиггса

июл. 7, 2012

12:13 am - Что такое бозон Хиггса

Previous Entry В избранное Поделиться Next Entry

(постарался написать максимально доступно)

Можно поспорить на крупную сумму, что большинство из вас (в том числе и люди, интересующиеся наукой) не очень хорошо представляют себе, что же такое нашли физики на большом адронном коллайдере, почему они это так долго искали, и что будет дальше.

Поэтому небольшой рассказ о том (внимание, применяю особую SEO-магию), что такое бозон Хиггса.


Начать нужно с того, что люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что творится в микромире, на масштабе элементарных частиц. Скажем, многие со школы представляют себе, что электроны - такие маленькие желтые шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те, кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам, представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является волной, мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что частица представляет собой событие в некотором поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).

Всё это очень плохо. Слова "частица", "поле" и "волна" крайне плохо отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в принципе можно увидеть или "пощупать", а мы, потомки обезьян, рассчитаны на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что электрон (или фотон, или бозон Хиггса) "являются одновременно частицей и волной"; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было (за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ, потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на наших масштабах не встречаются вообще.

Профессиональные физики и не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь, он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её продублировать.

Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере.

Общепринятая теория того, как устроен мир на самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей, наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими "объектами", для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем сообщения большинства СМИ. (Например, "Эхо Москвы" 4-го июля отличилось фразой "5 баллов по шкале сигма"; знающие оценят).

Так или иначе, 11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я - бозон, соответствующий полю Хиггса - то, что придает многим остальным частицам массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию - и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.

Вся эта аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то иллюзию понимания дает.

Бозон Хиггса - это частица, соответствующая этому "липкому полю". Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро растечется обратно. Вот, это он и есть.

Собственно, именно этим Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной, твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией "по столу" бить уже пытались, но безуспешно.

Теперь насчет пресловутых 5 сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет; гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать (увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.

Теперь представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел распасться.

Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз. Допустим, при этом шестерка выпала "всего лишь" 9 500 000 раз, а не 10 000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это всего лишь допустимая случайность - мы же не верим, что кость должна лечь шестеркой _ровно_ 10 миллионов раз из 60?

Ну ээээ. На глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в "сигмах". "Одна сигма" - это такой уровень отклонения, который является "наиболее ожидаемым" (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то отклонение в 5 сигма - это тот уровень, когда мнение "случайность маловероятна" превращается в абсолютно твердую уверенность.

О достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса; строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами. Но сомнений осталось уже мало.

Наконец, о том, что нас ждет в будущем. Была ли открыта "новая физика", и был ли совершен прорыв, который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали (ну, или почти так). Это даже немного грустно.

Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.

И куда теперь копать, пока не очень понятно (не то чтобы мыслей совсем нет, скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а способов их проверить гораздо меньше). Ну, может быть, кому-то и понятно, но уж точно не мне. Я и так в этом посте давным-давно вышел за пределы своей компетенции. Если я где-то сильно соврал, пожалуйста, поправьте меня.

Хороших выходных.

Comments:

Страница 1 из 2
<<[1] [2] >>
[User Picture]
From:802_11
Date:Июль 6, 2012 08:58 pm none (UTC)
(Link)
А кнопочьки лайк нет.

А нельзя ли такие же посты по терверу и матстату (сигма навевает)? Этот очень простыми словами, спасибо.
[User Picture]
From:2born
Date:Июль 6, 2012 09:06 pm none (UTC)
(Link)
Спасибо, мне понравилось. Очень интересно, насколько все это будет способствовать пониманию у неспециалиста?
[User Picture]
From:alphyna
Date:Июль 11, 2012 11:09 am none (UTC)
(Link)
неспециалист (знания о физике закончились на Хокинге) here: да, понятно.
[User Picture]
From:__rico
Date:Июль 6, 2012 09:12 pm none (UTC)
(Link)
> Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.

Это кстати все-таки неверное утверждение, насколько я понимаю все это дело
[User Picture]
From:2born
Date:Июль 6, 2012 09:19 pm none (UTC)
(Link)
Ага, этого я не заметил:))
From:(Anonymous)
Date:Июль 6, 2012 09:16 pm none (UTC)
(Link)
как-то в одном элитном вузе одна женщина, знающая все без кавычек, сказала, что old-school преподаватели, которые учились у Ландау, умирают, а на их место никто не приходит, и видимо и придти-то некому, и потому звиздец. Теперь хотя бы понятно, что придти есть кому, правда, они уже пришли в Яндекс.
это не укор, а скорее какая-то суперпозиция радости и сожаления.
[User Picture]
From:alll
Date:Июль 6, 2012 09:59 pm none (UTC)
(Link)
Боюсь, для того, чтобы быть преподавателем (в том числе и олдскул) нужно немножко большее, чем умение повеселить дальтоников байками о различиях между цветами. Впрочем, популяризаторы тоже нужны, конечно.
[User Picture]
From:max630
Date:Июль 6, 2012 09:57 pm none (UTC)
(Link)
ну, слишком популярно, но мне лень.

как минимум про связь массы и поля хиггса, насколько я знаю, совсем неправда.
[User Picture]
From:itman
Date:Июль 6, 2012 11:49 pm none (UTC)
(Link)
А что неправда-то? А-то я про это слышал много раз, в Википедии это написано, физики про это в подкастах говорят. Оно вроде не связано с гравитацией, но имеет прямое отношение к массе элементарных частиц.
[User Picture]
From:clayrat
Date:Июль 6, 2012 11:44 pm none (UTC)
(Link)
ага, спасибо
[User Picture]
From:_denplusplus_
Date:Июль 7, 2012 12:04 am none (UTC)
(Link)
Эээ... Если я понял пересказы пересказов, то подтвердиось на 5-сигма не на каждом. а если их виртуально "объединить". Мы ведь часто фидим такие фокусы, ага? :)
[User Picture]
From:_denplusplus_
Date:Июль 7, 2012 12:08 am none (UTC)
(Link)
Кстати, оцени, что пресс-конференцию они собрали до публикации. Очень, видимо, нужны деньги :) Либо у них вообще все так же.
[User Picture]
From:serlim
Date:Июль 7, 2012 02:23 am none (UTC)
(Link)
Блин, Андрюх, после комментариев к твоему тексту я вообще запутался.
[User Picture]
From:catta
Date:Июль 7, 2012 03:02 am none (UTC)
(Link)
Спасибо!
[User Picture]
From:vlkamov
Date:Июль 7, 2012 04:40 am none (UTC)
(Link)
Отлично написано !
[User Picture]
From:schpitz
Date:Июль 7, 2012 05:02 am none (UTC)
(Link)
Теперь вообще запутался:))
[User Picture]
From:search_facility
Date:Июль 7, 2012 05:18 am none (UTC)
(Link)
здорово, спасибо :))

тут еще читал что текущее описание открытия ставит крест на альтернативных теориях типа суперструн и прочее... т.е. теперь они точно к реальности отношения никакого не имеют (а так сомнения оставались)
не в курсе про это?
[User Picture]
From:ckald
Date:Июль 7, 2012 07:23 am none (UTC)
(Link)
Суперструны и Хиггс не конкурируют. Но было много теорий, которые метили на место Стандартной модели, в которых вместо механизма Хиггса рассматривали более сложные.
[User Picture]
From:otchayannaya
Date:Июль 7, 2012 09:23 am none (UTC)
(Link)
как здорово написано)
[User Picture]
From:bik_top
Date:Июль 7, 2012 09:27 am none (UTC)
(Link)
Не_выдержав_нагрузки,_сломался_завод_по_сжиганию_популяризаторов.jpg (шутка)

Я просто оставлю здесь картинку из Википедии про правило трёх сигм. Потому что, во-первых, она красивая и синяя. Во-вторых, визуально демонстрирует, насколько пять сигм круче обычных жалких трёх.
[User Picture]
From:bik_top
Date:Июль 7, 2012 09:41 am none (UTC)
(Link)
А вот ещё видео занятное было:
http://maxim.livejournal.com/383968.html
From:(Anonymous)
Date:Июль 7, 2012 12:32 pm none (UTC)
(Link)
Всё ж сделаю пару замечаний.
У фотонов только "масса покоя" равна нулю, и это причина, по которой у них нет состояния покоя. В световом движении говорить о нулевой массе некорректно.
Сигма это, я так понимаю, среднеквадратичное отклонение. Оно именно среднее, а не наиболее ожидаемое.
[User Picture]
From:bik_top
Date:Июль 7, 2012 02:25 pm none (UTC)

Масса покоя

(Link)
> Всё ж сделаю пару замечаний.
У фотонов только "масса покоя" равна нулю, и это причина, по которой у них нет состояния покоя. В световом движении говорить о нулевой массе некорректно.


«В некоторых источниках, в основном относящихся к началу XX века, а также научно–популярных, введённое выше понятие массы называют «массой покоя», при этом саму массу вводят на основе классического определения импульса… В таком случае… говорят, что масса тела растёт с увеличением скорости. При таком определении понятие массы фактически подменяет понятие энергии, а также требуется отдельно вводить «массу покоя», измеряемую в собственной СО, и «релятивистскую массу» движущегося тела. Такой подход был распространён на заре становления СТО, так как позволял провести многочисленные аналогии с классической физикой, однако в современной науке нежелателен и не используется, так как вносит дополнительную путаницу в терминологии, не давая никаких новых результатов.» ©
[User Picture]
From:kray_zemli
Date:Июль 7, 2012 01:11 pm none (UTC)
(Link)
Пять баллов по шкале SEO
[User Picture]
From:kray_zemli
Date:Июль 7, 2012 01:23 pm none (UTC)
(Link)
Всё гораздо проще. Протоны и нейтроны, бозоны хиггса и суперструны, стандартные модели и облака вероятности -- это выдумки чокнутых математиков. А как всё устроено на самом деле -- неясно. Чем глубже, тем мутнее.

Ща "найдут" бозон Хиггса, Хиггс наконец получит нобелевку, потом выплатит откаты, поглумится над паралитиком Хоккингом и заберёт у него $100. Рассосутся прочие сверхсветовые нейтрино. И только после всего этого можно начинать надеясться, что мы вот-вот узнаем что-то новое о мире.
[User Picture]
From:chris_archer
Date:Июль 9, 2012 08:26 am none (UTC)
(Link)
агностики набежали?
[User Picture]
From:askepak
Date:Июль 7, 2012 01:51 pm none (UTC)
(Link)
Спасибо!

Только комментаторы все "портят":)))
Вот я сейчас в недоумении - все-таки выражение,-

"Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.",-

истинно или ложно?

Я понимаю, насколько трудно популяризировать вещи в принципе этому неподдающиеся, но может найдете время популярно изъяснить вопрос совместимости Стандартной модели и ОТО или с чем это все "едят" и напишите небольшую заметку?:)
[User Picture]
From:ni4ei
Date:Июль 8, 2012 10:01 am none (UTC)
(Link)
>истинно или ложно?
формально истинно. Но надо уточнить, что одновременно = для описания одних и тех же объектов. Например, ОТО не может в описание эффектов на малых расстояниях, Стандартная модель не может описывать поведение галактик. Плюс они обе неверны когда расстояния малы и гравитационное поле на таких расстояниях играет роль.
[User Picture]
From:janatem
Date:Июль 7, 2012 01:54 pm none (UTC)
(Link)
> "5 баллов по шкале сигма"
Бугага!

Насчет печали по поводу несовместимости с ОТО: сама по себе несовместимость не является большой проблемой и поводом отметать одну из теорий. Можно верить и искать новую теорию — такую, что первая и вторая будут ее в некотором смысле «проекциями». Например, классическая механика считается предельным случаем как СТО, так и квантов, когда, соответственно, скорость света и постоянная Планка устремляются к бесконечности/нулю.
From:(Anonymous)
Date:Июль 7, 2012 07:10 pm none (UTC)
(Link)
Спасибо за доступное объяснение!
Вот если бы мне так в школе все объясняли!
А то: дети, видите это солнышко-это поле точечного заряда!
А теперь все ясно- мы живем на бозоне Хиггса в европейской его части. :)))
[User Picture]
From:yojig
Date:Июль 8, 2012 05:02 am none (UTC)
(Link)
[User Picture]
From:levgem
Date:Июль 8, 2012 10:23 am none (UTC)
(Link)
а можете примерно описать, в чём несовместима стандартная модель и ОТО?
[User Picture]
From:chainiksu
Date:Июль 9, 2012 12:50 pm none (UTC)
(Link)
Уравнения ОТО с огромной точностью перепроверены и подтверждены на космических масштабах расстояний, но если попытаться посчитать по ним квантовые флуктуации на планковских масштабах (~10е-33 см), получаются бесконечности (которых, разумеется, в экспериментах не наблюдается). То есть на таких масштабах ОТО просто нельзя применять.
И наоборот, СМ хорошо описывает микромир, точнее три взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное). Но (в сегодняшнем виде) никак не описывает гравитацию. (см. квантовая гравитация).
Из популярного советую почитать например Смолина ( http://flibusta.net/b/181844/read )
[User Picture]
From:ljournalist_bot
Date:Июль 8, 2012 02:32 pm none (UTC)
(Link)
Поздравляем! Ваш пост был отобран нашими корреспондентами и опубликован в сегодняшнем выпуске ljournalist'а.
From:(Anonymous)
Date:Июль 8, 2012 09:10 pm none (UTC)
(Link)
>когда он все-таки родился на свет

если частица отвечает за взаимодействие, т.е. она постоянно присутствует (?), что значит появится на свет?
[User Picture]
From:plakhov
Date:Июль 9, 2012 07:24 am none (UTC)
(Link)
Если пользоваться той же аналогией, то "липкое покрытие" присутствует постоянно, но мы можем наблюдать его в виде частицы, только когда сильным ударом смяли его в складку.
[User Picture]
From:amarao_san
Date:Июль 9, 2012 01:51 am none (UTC)
(Link)
А почему 5 сигма достаточно? Подробнее, пожалуйста. Почему именно 5, а не 4, например? Меня в институте заставляли с 3 сигмами считать.
[User Picture]
From:plakhov
Date:Июль 9, 2012 07:30 am none (UTC)
(Link)
Почему именно 5, я не знаю. Может, число круглое :)

Почему больше, чем 3, наверное, понимаю. p-value, соответствующее 3 сигма - это несколько десятых долей процента; на том же коллайдере (а тем более вообще в мире) проводится слишком дофига экспериментов, чтобы вполне искренне бояться http://xkcd.com/882/
(без темы) - (Анонимно) (Развернуть)