希格斯场的密度会因为宇宙膨胀而减小吗?

时间:2020-09-10 09:04:50   作者:
希格斯场的密度不会随着宇宙膨胀而改变,因为希格斯场的密度一开始就(实际上)为零。

嗯?但毫无疑问,你会被屏息的科学记者告知,希格斯场无处不在,它是万物有质量的原因。如果你特别不幸,他们甚至会提供一个类比,比如在糖浆中游泳之类的。

如果我猜对了,请忘掉你到目前为止读到的关于希格斯场的所有东西。

我说过希格斯场的密度几乎为零。我的意思是,当一个量子场携带能量和动量时,它以激励的形式这样做:当我们与场相互作用时,这些激励就是我们认识到的粒子。希格斯粒子非常重(是已知的第二重的基本粒子),因此很难制造出希格斯粒子。(这就是为什么我们需要一个巨大的加速器来实现它。)而且,即使它产生了,它的存在也是短暂的;几乎在瞬间,它衰变成一簇较轻的粒子。

换句话说,即使自然界偶尔会在高能过程中产生希格斯粒子,它们也几乎会立即消失。除了这些微小的涨落(忽略另一个神秘的话题,真空涨落),希格斯粒子无处不在,因此希格斯场的密度为零。

但是,你可能会问,那大规模业务呢?

确定。带电的费米子(电子、介子、陶和夸克)有质量,因为它们与所谓的希格斯场的真空期望值(v.e.v)相互作用。希格斯场的独特之处在于它的v。v。是非零的。这就是对称性破坏的原因。

看,在粒子物理学的标准模型中,在非常高的温度(能量)下,电磁和弱核的相互作用没有区别。这两个是统一的。在这些非常高的温度下,带电的费米子是无质量的。也有希格斯场,但它与今天的希格斯场非常不同。是的,带电的费米子与它相互作用,释放和吸收与希格斯场相对应的粒子。

但当温度降低时,希格斯场的一种特殊性质开始发挥作用。正常情况下,没有激发态时,电场的能量是最低的。但希格斯场并非如此。在它的最低能态,存在一些激发态。所以如果你从真空开始(没有激发态),它会很快衰减到这个较低的能态(有激发态)。然后,随着温度降低,这个新的,更低的能态变成了新的真空。这种新真空的特征是它的v。v。v。非零。对于这个新的真空,电磁和弱相互作用表现得非常不同。在弱相互作用中起到中介作用的粒子质量变得非常大(使得相互作用的范围非常短,我们称之为“弱”)。带电荷的费米子现在与这个真空本身(或者更确切地说,它的v.e.v.)相互作用,就实际用途而言,这与有质量是一样的。

希格斯场的v。v。v不随宇宙膨胀而改变。它不是密度;确切地说,它是真空的一种特性。所以带电费米子的质量也不会改变。

我还应该赶紧纠正另一个常见的误解(这个误解的存在同样是因为草率的科学新闻)。只有大约1%的日常物体的质量是由希格斯场引起的。这是因为当涉及到质子和中子(它们构成了日常物体的大部分质量)时,这些粒子只有大约1%的质量是由组成它们的夸克造成的。剩下的99%呢?它是这些夸克之间强大的核力结合能(记住,质量和能量是相同的)。即使夸克没有质量,这个结合能也会存在,而且与希格斯场或对称性破缺没有关系。
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