Странная правда о том, откуда берется масса

Если задать вопрос, откуда берется масса, то можно ожидал услышать, что настоящее происхождение массы связано с физическим явлением, называемым полем Хиггса. Хотя это утверждение часто встречается в научно-популярной литературе, оно оказывается не совсем неверным. Действительно, поле Хиггса вносит лишь очень небольшой вклад в массу Вселенной. Реальность гораздо интереснее.

Сначала давайте разберемся, почему научная пресса утверждает, что поле Хиггса придает объектам массу.

Поле Хиггса

Поле Хиггса было теорией, разработанной в 1960-х годах как своего рода пластырь, чтобы спасти другую теорию, которая была популярна в то время. Физики разработали теорию, что две из известных квантовых сил — электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие — на самом деле были двумя проявлениями одной базовой силы: электрослабого взаимодействия. (Электромагнетизм отвечает за электричество, магнетизм, свет и большую часть химии, в то время как слабое ядерное взаимодействие отвечает за определенные формы излучения.)

Во многом так же, как мы знаем, что лед и пар — это просто разные формы воды, эти две, казалось бы, разные силы были просто разными способами смотреть на одно и то же. Была проблема с этой новой и единой силой — она предсказывала, что все субатомные частицы имеют нулевую массу. Это утверждение было известно как ложное еще в 1930-х годах, поэтому новая теория могла и умереть вскоре после своего рождения. Однако группа физиков в середине 1960-х годов предложила энергетическое поле — теперь называемое полем Хиггса — которое давало массу одним частицам, но не другим.

Теория поля Хиггса предсказала существование частицы, называемой бозоном Хиггса, которую иногда называют «Частицей Бога». Бозон Хиггса был открыт в 2012 году исследователями, работающими в ЦЕРНе. С открытием бозона Хиггса была подтверждена электрослабая теория.

Верно, что поле Хиггса дает массу некоторым субатомным частицам, например, знакомому всем электрону, а также классу частиц, называемых «кварками», которые находятся внутри протонов и нейтронов. Из-за этой истины репортеры и энтузиасты науки говорят, что поле Хиггса дает нам массу.

Что дает нам массу?

Однако, несмотря на успех теории Хиггса, это утверждение оказывается неверным. Мы можем проиллюстрировать это, спросив, откуда берется масса человека весом 90 кг. Если вы спросите химика, он скажет, что масса человека исходит из молекул, из которых он состоит. И если вы взвесите все эти молекулы, вы действительно обнаружите, что они весят 90 кг.

Копнув глубже, мы можем спросить: Какова масса атомов, составляющих эти молекулы? Когда вы их взвесите, вы снова получите 90 кг.

Внутри атомов находятся протоны и нейтроны, находящиеся в центре, а также облако электронов, кружащихся по периферии. Протоны и нейтроны весят примерно одинаково, в то время как электроны являются очень легкими — их вес составляет около 0,05% от массы протонов и нейтронов. Таким образом, можно игнорировать электроны и сосредоточиться на протонах и нейтронах. Если сложить их массы, то получится 89,9 кг (с 0,1 кг в электронах).

На данный момент, казалось бы, что масса человека находится в субатомных частицах, из которых он состоит; однако, именно здесь Вселенная преподносит нам загадку. Каждый протон и нейтрон содержит три меньшие частицы, называемые кварками. Поэтому можно было бы ожидать, что если вы сложите массу кварков, вы получите 90 кг.

Но это не то, что вы обнаружите. Если вы сложите всю массу всех кварков в 90-килограммовом человеке, вы обнаружите, что кварки весят около 1,81 кг.

Итак, откуда же взялись остальные 88,19 килограмм? Вот тут-то и начинается самое интересное. Ответ, как это часто бывает, можно найти в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc² . Это уравнение гласит, что энергия и масса эквивалентны. Как это помогает?

Оказывается, внутри каждого протона и нейтрона кварки движутся с очень высокой скоростью; действительно, эти скорости могут приближаться к скорости света. Очень высокая скорость означает очень высокую энергию, а, согласно Эйнштейну, очень высокая энергия означает очень большую массу. Однако это еще не все.

Протоны и нейтроны — это очень «маленькие шарики», размером около одной квадриллионной метра. Если протоны состоят из очень быстрых кварков, удерживаемых внутри этого крошечного объема, должны быть столь же мощные силы, удерживающие их вместе. Эти силы также могут означать высокую энергию, так же как очень туго натянутый лук имеет больше энергии, чем лук с ослабленной тетивой.

Вы можете сложить энергию движения и энергию удержания кварков внутри протонов и нейтронов, и когда вы это сделаете, вы обнаружите, что масса человека состоит не из «вещества» в том смысле, в котором мы обычно думаем об этом, а наша масса состоит из энергии. Фактически, можно сказать, что вся материя состоит из энергии.

Идея о том, что наша масса — это не более чем очень быстрое движение крошечных субатомных частиц, удерживаемых вместе невообразимыми силами, дает нам совершенно иной способ думать о материи и энергии. Наука снова учит нас, что реальность гораздо более странная, чем мы себе представляем.