引力波和希格斯子有沒有關係?

前兩年科學家發現了希格子,希格子也被稱為「上帝粒子」,是賦予物體質量的自旋為零的玻色子,現在科學家探測到引力波的存在了,傳播速度為光速,那麼請問希格子跟引力波的關係是什麼呢?粒子是通過場而進行相互作用的。根據波粒二象性,波跟粒子是統一的。比如,電磁波又是光子,光子的振動產生電磁場,光子是電磁相互的媒介子(不知道我的理解對不對)。那麼引力波是不是也是引力子?這個引力場是帶質量物體振動產生的,而希格子又賦予物體質量,是不是可以理解為希格子振動產生引力場呢?希望能得到相關領域的人解答


「引力是質量產生的」是牛頓引力里的提法。
希格斯場賦予的是靜質量,產生引力的是能動張量,前者只是後者的一個不變數。
不管引力波怎麼波動,通常是不改變物體靜質量的。
希格斯場本身是有能量的,它振動自然可能產生引力波,但這和它賦予別的場靜質量的角色並沒有關係。


謝邀
因為宣傳中希格斯粒子是賦予粒子質量的,而質量和引力又有關係,所以會有人把希格斯粒子和引力子扯到一起。但它們之間有很多的不同,希格斯粒子是標量粒子,自旋為0。引力子是規範粒子,自旋為2。 這裡我稍稍偏題一下,最基礎的介紹一下被傳的很熱的希格斯機制(上帝粒子),了解了希格斯機制是如何賦予質量的之後有助於澄清一些誤解吧。
好像知乎上還沒有類似的詳細回答,就借題發揮一下,這也不算是科普了。希望高人們指正。
自發對稱性破缺是一個理解希格斯機制的必不可少的概念,通常科普的來說,自發對稱性破缺就是對稱性的降低,但是這種降低不是人為的加入一些項來破壞拉式量也就是運動方程的對稱性。一個形象的例子就是在我們吃飯的時候,如果每個人左右都有一雙筷子,那麼這個時候就是左右對稱的,如果其中一個人拿了右手邊的筷子,那麼以後的每個人只能選擇右手邊的筷子(左手的被拿走了ing),所以左右對稱性發生的了破缺。
探討對稱性自發破缺喜歡用phi^{4}理論進行探討,容易直觀的看出到底發生了什麼,N=2的時候拉式量是這樣的
phi=frac{1}{sqrt{2}}(phi_{1}+iphi_{2}),L=-frac{1}{4}F_{mu
u}F^{mu
u}+(Dphi)^{+}Dphi+mu^{2}phi^{+}phi-lambda(phi^{+}phi)^{2}
取N=2主要是為了體現出連續對稱性,我們也可以用極坐標寫一下
L=-frac{1}{4}F_{mu
u}F^{mu
u}+(partial_{mu}
ho)^{2}+
ho^{2}[partial_{mu}	heta-eA_{mu}]^{2}+mu^{2}
ho^{2}-lambda
ho^{4}(1)
這一步是trivial的,只用了協變導數的定義D_{mu}=partial_{mu}-ieA_{mu}
我們還可以把矢量場變一下B_{mu}=A_{mu}-frac{1}{e}partial_{mu}	heta. 注意這樣的變換並不影響場強F_{mu
u}.

話分兩頭,再來看基態的改變,這裡的trick是把平方項符號改了一下,勢能極小值也就不在0點而是在某個半徑處,嚴格的說是真空具備了非0的期望值。由於二維的情況,勢能極小值也就是真空在一圈的範圍內都有

就是醬。基態由於這種簡併,當粒子選擇一個真空狀態的時候,基態對稱性發生破缺(因為選擇了一個特定的方向,就不再具有旋轉不變性了),注意這時作用量的對稱性還沒有變。量子場論中中有如下結論,一種連續對稱性的破缺會產生無質量的戈德斯通粒子,粒子的數目是對稱性破缺前後對稱群的生成元的差,比如如果從SO(3)破缺到O(2),就產生2個goldstone粒子。這裡破缺了O(2)對稱性,產生了一個goldstone粒子,就是	heta場. 為了避免篇幅過長,這一段證明省略,不過並不複雜。

通常,基態下粒子都是在勢能的最低點的。再考慮到量子漲落,基態的場可以寫成
ho=frac{1}{sqrt{2}}(v+chi ),其中v是真空的非0期望值。 把它強行帶入上面極坐標的那個式子(1)中,計算麻煩一點,不過是直觀的。可以發現後來的矢量場B_{mu}不再是無質量的了,和它相伴隨的是一個有質量的標量場Higgs場chi, 這個HIggs場對應的粒子就是通常所稱的上帝粒子。也可以得到它的質量在加速器中找。

總結一下發生了什麼,考慮一個規範場和一個標量場的耦合系統,基態對稱性發生自發破缺導致產生了無質量的goldsotne粒子,goldstone粒子被規範場吃掉(B_{mu}那一步),吃掉之後原來無質量的規範粒子具有了質量,同時產生了一個希格斯場,所以希格斯場是和規範粒子產生質量相伴的。找到了希格斯場,也就證實了這個賦予規範粒子質量的機制是正確的。2012年的一個大新聞就是關於這個的。


最後提幾點討論:

1 這裡用這種phi^{4}理論的粒子只是toy model,也就是說可以很方便的理解這個機制。自發對稱性破缺來自於基態簡併,可以完全脫離這個model獨立的定義,只不過抽象一些而已。

2 Higgs場是賦予規範粒子質量的,比如傑出的楊振寧先生提出的YangMills場之前沒人重視的原因也就是因為規範粒子必須是無質量的,而實驗中這種傳遞弱相互作用的介子通常都是有質量的。自發對稱性破缺和HIggs機制恰好給這提供了一個很好的解釋,傑出的溫伯格先生也就此提出了電弱統一模型。

3 Higgs機制和引力場中說的那個質量我暫時還沒有看出什麼關係,盡量不要把科普說的質量的起源外延的過大吧,不然陷入民科思維就不好了。不過以後會是什麼樣子也還不好說,期待。

4 SU(5)等統一模型都失敗了,下一步統一四種基本相互作用的出路在哪裡?


先說結論:希格斯粒子振動會產生引力波,但只有很小一部分引力波是由希格斯粒子振動產生的。

這問題得從萬有引力講起,牛頓告訴我們,有質量的物體就會產生引力,質量越大引力越大。這裡留下了兩個一個,一是引力的本質是什麼,二是質量的本質是什麼。對於第一個問題,愛因斯坦的回答是,質量告訴時空怎樣扭曲,時空告訴物體怎樣運動。簡而言之就是質量引起時空扭曲,而物體在扭曲的時空中運動,看起來就像受了力一樣,想像一個有皺褶的毯子,螞蟻在上面爬「直線」,其實是曲線。而如果抖動這個攤子,則會形成波傳到遠處,這就是引力波。總結就是,質量分布的變化(因為時空是被質量扭曲的)造成引力波。

現在關鍵就是第二個問題,質量從何而來。愛因斯坦又講了E=mc2,質量就是能量,有能量就有質量。日常物體的質量/能量由哪些部分組成呢?就以我自己為例,我的體重/質量/能量約百分之十是希格斯粒子賦予的,百分之七十多是夸克結合成質子中子時的強相互作用賦予的,還有剩下的很微弱的電磁和弱相互作用帶來的質量/能量。關於質量/能量的組成更詳細的解釋請看我另一個回答:https://www.zhihu.com/question/29437411/answer/81598832

所以到此結論就出來了,質量分布的變化產生引力波,而正常物體的質量/能量由希格斯粒子已經強,弱,電磁相互作用帶來。所以希格斯粒子振動會產生引力波,當我揮動雙手,我手中夸克里的希格斯粒子也在揮動,但這僅僅只是我質量/能量的十分之一。還有就是永遠記住質量能量是同一種東西。

至於引力子,我們人類對於電磁,強和弱相互作用能用量子力學描述,目前對於引力還不能找到合適的描述,引力子只存在於猜想中。所謂引力子,其實就是引力場中能量的最小單元。如果存在的話(我個人以及很多人類還是相信會存在),希格斯粒子振動當然會產生引力子。就好比電荷的振動會發出光子一樣。不過除了希格斯粒子,任何有質量/能量的東西振動都可以產生引力子。


原則上Higgs真空可以產生費米子和規範波色子質量。你可以用這些質量產生引力波。但可觀測的引力波只有那些大質量物體做振動時才能激發,所以直接用基本粒子去產生引力波是很難看到的。


如果有一個完善的量子引力框架,可能可以研究引力子和別的粒子的作用,這也在一定程度上相當於該粒子輻射了引力波(引力子作為末態粒子)。

這次看到的引力波是黑洞動力學過程輻射的引力波。黑洞裡面是什麼現在我們是不知道的。

所以如果你只是想問這兩個發現,那麼它們並沒有什麼明顯的聯繫。


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