Что не так с массой электрона?

Электрон традиционно является частицей, которая вызывает наибольший интерес среди любителей популярной науки. Во многом на это влияют его специфические свойства и множество парадоксов, которые с ним связаны. Давайте обсудим теперь ещё и массу электрона. Можно просто сказать, что и обсуждать тут нечего. Достаточно просто открыть табличные величины физики и увидеть, что масса электрона присутствует среди стандартных значений и имеет точное значение в килограммах. Конечно число крошечное, но это не ноль. Вот только не всё так просто.

Наиболее объективной моделью физики сегодня считается стандартная модель. Стандартная модель физики — это основополагающая теория, которая описывает, из каких частиц состоит материя и как они взаимодействуют друг с другом. Эта модель охватывает три из четырех основных взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. Однако она не включает гравитацию, так как для ее описания используется общая теория относительности. Проблематика вопроса гравитации уже раскрывалась мной и сейчас не будем останавливаться на этом моменте. Стандартная модель помогает нам понять, как устроены атомы и какие силы действуют в природе. И как раз из этого вытекает главный вопрос, обозначенный в начале обсуждения.

Фундаментальные строительные блоки для материи в стандартной модели включают безмассовые заряженные фермионы. То есть, и кварки, и заряженные лептоны (семейство электрона) обозначаются в теории как безмассовые частицы. Тогда откуда циферка в табличке стандартных значений? Ведь он априори относится к семейству частиц, не имеющих массы.

Фермионы, несущие электрический заряд, получают массу благодаря механизму Хиггса, который основан на нарушении симметрии, вызванном присутствием поля Хиггса. Взаимодействуя с этим полем, заряженные фермионы испытывают эффект спонтанного нарушения симметрии, поскольку энергетически наиболее выгодное состояние поля Хиггса не соответствует его состоянию с нулевыми колебаниями. Это состояние минимальной энергии определяет наблюдаемый физический вакуум. Однако даже в этом вакууме поле Хиггса характеризуется наличием возбуждений.

Взаимодействие заряженных фермионов с этими колебаниями воспринимается как взаимодействие с самим вакуумом.

Иными словами, электрон, существующий в физическом вакууме, несет в себе энергию, связанную с этим взаимодействием. Поскольку энергия эквивалентна инертной массе, этот электрон проявляется как массивная частица, оказывающая сопротивление ускорению, как это описано во втором законе Ньютона. Получается, что электрон — это лептон, у которого нет массы, но при этом у него есть энергия, достаточная для взаимодействия с флуктуациями в поле Хиггса. Поэтому у него есть измеримая масса и мы можем записать её в константы.

Ситуация сродни той, что мы знаем про кота Шредингера. Ведь кот был приведен как пример физического абсурда при попытке разобраться в странной квантовой теории, не понятной классическим физикам того времени. Потому и кот, который не может быть сразу и жив, и мёртв, выбран как эталон нелепости. Примерно также с массой электрона. Электрон согласно стандартной модели относится к безмассовым частицам, но поскольку у него есть энергия, то он может взаимодействовать с полем Хиггса и становиться массивным.

И на ёлку успешно залезли, и рыбку съели. Стандартная модель вроде как разрешает противоречие, позволяя одновременно существовать безмассовым частицам и предсказывая наличие массивных фермионов. В итоге, электрон, изначально лишенный массы, проявляется как частица с четко определенной, измеримой массой покоя.