Skąd się wzięła masa?

  1. Masa pojawiła się w fizyce po raz pierwszy u Isaaca Newtona jako „ilość materii”. Newton wyobrażał sobie, że zwykle ciała są bardzo porowate, należy więc odróżniać ilość materii od np. objętości. Owa ilość materii w danym ciele była zawsze niezmienna (o ile samo ciało nie zmieniało się jakoś: nie dzieliło na części ani nie łączyło z innym). Masa występowała w dwóch znaczeniach: jako miara bezwładności i jako miara grawitacji. W pierwszym niesie ona informację o tym, jak mocno przeciwstawia się ciało zmianom ruchu – ciało o dużej masie trudniej poruszyć i trudniej też zatrzymać, gdy się już porusza. W drugim znaczeniu masa informuje o tym, jak mocno dane ciało przyciągane jest grawitacyjnie przez resztę świata – ciało o dużej masie jest ciężkie, tzn. silnie przyciągane przez Ziemię. Tak się składa, że masa bezwładna i grawitacyjna są jednakowe. Dzięki tej równości wszystkie ciała spadają jednakowo w polu grawitacyjnym: bez oporu powietrza piórko ptasie i kamień spadałyby jednakowo. Ponieważ nie jest to wcale oczywiste, więc Newton sprawdzał doświadczalnie, czy różne rodzaje materii rzeczywiście zachowują się jednakowo w polu grawitacyjnym. Doświadczenia pokazały, że tak. Również późniejsze doświadczenia zawsze ten fakt potwierdzały.
  2. Status masy zmienił się w teorii względności Alberta Einsteina. Masa okazała się związana z energią ciała spoczywającego. Obowiązuje tu słynny wzór E=mc^2. Bardziej fundamentalnym pojęciem jest energia. Energia całkowita np. w jakiejś reakcji musi być zachowana, ale nie znaczy to, że zachowana musi być także masa. Jest tak w reakcjach chemicznych, bo energie wiązania są dużo dużo mniejsze niż energie spoczynkowe. Nie jest tak np. w reakcjach jądrowych, gdzie wyzwalają się znacznie większe ilości energii. Wybuch bomby jądrowej w Hiroszimie oznaczał zamianę mniej więcej 1g masy spoczynkowej na inne formy energii. Istnieją też cząstki takie, jak fotony, które nie mogą spoczywać i zawsze poruszają się z prędkością światła. Dla nich powyższy wzór nie ma sensu. Fotony mają masę zerową, ale energię oczywiście niezerową. Np. wybuchowi jądrowemu towarzyszą duże ilości promieniowania γ, czyli wysokoenergetycznych fotonów (dlatego promieniowanie to wywiera tak niszczący wpływ na słabo związane tkanki żywych organizmów).
  3. Albert Einstein odkrył, że także grawitacja zależy od energii – nawet gaz fotonów może wywierać efekt grawitacyjny. W Einsteinowskiej teorii grawitacji (tzw. ogólnej teorii względności) masa grawitacyjna i bezwładna muszą być równe. Skoro każde ciało porusza się tak samo w polu grawitacyjnym i nie ma żadnego znaczenia, czy jest duże, czy małe, czy z pierza, czy z mięsa, to widocznie grawitacja jest jakąś własnością samej czasoprzestrzeni, czymś geometrycznym. W tej samej geometrii wszystkie ciała powinny poruszać się tak samo.
  4. Wiemy więc, że masa związana jest z energią spoczynkową. Nie wyjaśnia to jednak, czemu w ogóle istnieją ciała, które mogą spoczywać. Wszechświat wypełniony jedynie fotonami i np. grawitonami (też o masie zerowej) jest zupełnie możliwy. Nasz wszechświat jest inny: składa się głównie z atomów, inne cząstki, jak fotony czy np. neutrina zawierają tylko niewielką część energii (pomijam ciemną materię, o której może kiedy indziej). Atomy z kolei zbudowane są z elektronów oraz jąder – to one stanowią 99,9% masy atomu. Jądra składają się z protonów i neutronów związanych ze sobą oddziaływaniem silnym (to nazwa oddziaływania), które pokonuje odpychanie dodatnich protonów i skleja jądro w całość.
  5. Aby więc wyjaśnić masy atomów, należy zrozumieć, czemu elektrony, protony i neutrony mają masę. Z punktu widzenia współczesnej fizyki (tzw. Modelu Standardowego) tylko elektrony są rzeczywiście elementarne, protony i neutrony są zbudowane z trzech kwarków. Wobec tego pytanie brzmi: czemu elektrony i kwarki mają masy? Częściowej odpowiedzi dostarcza mechanizm Higgsa. Sprzężenie z polem Higgsa sprawia, że elektrony oraz kwarki mają niezerowe masy. Odpowiedź jest jednak tylko częściowa. Jeśli spojrzymy w jakiekolwiek tablice cząstek elementarnych, okaże się, że masy kwarków u i d (kilka MeV) są o wiele za małe, aby wyjaśnić, czemu zbudowane z nich protony i neutrony są takie masywne (ok. 940 MeV) – a to przecież 99,9% masy.
  6. Zatem większość masy wokół nas nie ma nic wspólnego z cząstką Higgsa, odpowiadają za nią oddziaływania silne. Stanowią one wyjątkowo elegancką część Modelu Standardowego, tzw. chromodynamikę kwantową, QCD. Obowiązuje w niej ścisła symetria, jest to matematyczne uogólnienie zwykłej elektrodynamiki. Zamiast fotonów mamy osiem gluonów, które – jak sama nazwa wskazuje – sklejają kwarki (nb. gluony są bezmasowe podobnie jak fotony, które przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne). Oddziaływania kwarków są szczególnego rodzaju: rosną bowiem z odległością. Dlatego nie można zaobserwować pojedynczych kwarków. Kiedy np. dostarczymy dużej energii związanej parze kwark-antykwark, to zamiast rozerwać wiązanie, wygenerujemy jedynie kolejną taką parę.paare
    Tak więc z punktu widzenia QCD należy w ogóle wyjaśnić, czemu istnieją takie obiekty jak proton i neutron, przy okazji zaś należy wyjaśnić, skąd bierze się ich masa spoczynkowa. Proton składa się więc z trzech kwarków: u, u oraz d, ale także z pól gluonowych i tworzących się i znikających par kwark-antykwark. Wygląda to jakoś tak.Figure9_proton
    QCD jest teorią trudną obliczeniowo. Okazuje się jednak, że za pomocą obliczeń komputerowych można uzyskać masy różnych cząstek składających się z kwarków, w tym protonu i neutronu. Masa ta pochodzi więc w większości z oddziaływań silnych.F3.large
    Wykres przedstawia wyniki z pracy S. Dürr et al., Ab Initio Determination of Light Hadron Masses, „Science”, t. 322 (2008), s.1224-1227. Niektóre masy wzięte są z eksperymentu, inne obliczone, N oznacza nukleon, czyli neutron albo proton, inne litery oznaczają różne cząstki silnie oddziałujące, jak piony (π), kaony (K) i różne inne. Gdyby przyjąć skrajnie uproszczony model, w którym trzy lekkie kwarki mają masę zero, a trzy ciężkie – nieskończoną, zgodność byłaby gorsza, ale nadal niezła. Taka uproszczona wersja QCD nie zawiera żadnych mas, a mimo to nieźle zgadza się z eksperymentem. Oznacza to silne potwierdzenie słuszności QCD w ogóle, a także faktu, że źródłem masy są oddziaływania silne.
    Por. http://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/342_Origin_of_Mass.pdf
    Ukazał się też na ten temat artykuł po polsku autorstwa Marka Zrałka z UJ, w piśmie „Foton”, jesień 2013.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s