- Друзья, приветствую! Сегодня мы продолжаем изучать субатомный мир и после статьи про частицы и бозон Хиггса пора разбирать базовые понятие по-отдельности, в этот раз под прицел попала масса 💠 Начнем.
На протяжении тысяч лет спекулятивной философии и сотен лет жесткой эмпирической науки мы склонны думать о массе как о врожденном свойстве («первичном качестве») материальной субстанции. Мы полагали, что какими бы они ни были, основные строительные блоки материи непременно состоят из микроскопических комочков какого-то «вещества».
Но все оказалось не совсем так. Подсказка содержится в названии одной из самых известных научных работ Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1905 году: «Зависит ли инерция тела от его энергосодержания?». В этой работе Эйнштейн предположил, что существует глубокая связь между массой и энергией через то, что впоследствии станет самым известным в мире уравнением E = mc2.
Мы воспринимаем массу объекта как инерцию (сопротивление объекта ускорению) и Эйнштейн предположил, что последняя определяется не массой как первичным качеством, а скорее энергией, которую содержит объект.
Для понимания вернемся к нашем Стандартной Модели из прошлых статей
1-3 столбец фермионы, 4 — бозоны
Фермионы(Лептоны и Кварки) — кирпичики из которых состоим мы и все, что нас окружает
Бозоны — это связующие элементы для наших кирпичиков, которые помогают “построить из них дом” и сделать его таким как было задумано.
И все это великолепие предполагает, что масса частиц равна нулю. Но мы даже подсознательно понимаем, что в реальном мире у частиц есть масса. Из этого будет следовать один из самых важных выводов:
Масса — это не изначальное свойство, а что-то приобретаемое в каком-то процессе.
Исключение составляют два типа бозонов: фотоны и глюоны, это те ребята которые не имеют массы, летают со скоростью света и в контексте массы нас вообще не интересуют.
А вот как остальные частицы ее приобретают мы рассмотрим далее.
Примем массу вселенной за 100% и посмотрим как она распределена:
- W и Z бозоны(два бозона мы уже вычеркнули, осталась только эта пара)
- Фермионы (кварки и электроны)
- Бозон Хиггса: имеет массу сам по себе(однако😎)
В сумме 0,15-0,16% от массы вселенной
- Адроны (протоны, нейтроны, мезоны) составные частички из кварков, как молекула состоит из атомов, так и они состоят из кварков.
В сумме 15-16% массы вселенной
- Основная масса Вселенной это Темная материя +-85%. ЭМ взаимодействию она не поддается, поэтому понять, что это именно такое мы пока не можем. Ну и массу измерить конечно же тоже.
Вернемся к массе. Вы наверняка заметили, что массы субатомных частиц не выражаются в привычных нам килограммах, граммах и т.д. Масса записывается как энергия и хотелось бы узнать как эта энергия переходит в массу. Правильно?
А она не переходит. Энергия это и есть наша масса.
Просто ощущаем мы ее как массу(привет е=мс2). Между массой и энергией ставим знак равенства. Повторим ещё раз, масса это мера инертности чего-либо. Чем больше энергия, тем сложнее разогнать или затормозить объект, тем больше мы будем ощущать массу. Как простой пример: толкать авто будет сложнее чем самокат, поэтому и то, что мы называем масса у него больше.
Вернёмся к нашим маленьким частицам.
W и Z бозоны
Большинство наших кирпичиков приобретают начальную массу благодаря взаимодействию их с полем Хиггса (наличие которого нам подтвердило открытие бозона Хисса).
Если приводить аналогии, то представьте себе нашу вселенную как банку с мёдом. Кинем туда ложку и она медленно начнет движение. Если убрать мед то ложка моментально упадет. Так и наши частички «вязнут» в поле Хиггса (это все очень упрощённо, но для первого раза хватит).
Как именно частицы взаимодействуют(вязнут) с полем Хиггса уже так просто не объяснить, поэтому это будет выделено в отдельную статью про Голдстоуновские бозоны. На сегодня нам хватит и такого медового описания взаимодействия.
Кварки и Электроны
Тут чтобы объяснить вспомним из школьной программы такое понятие как — спин(вращение частицы вокруг своей оси или что-то такое). А можем и не вспоминать, все равно тут ничего не вращается это только аналогия😉 Так вот, представим как электрон летит и вращается вокруг своей оси в одну сторону, а может ли он поменять свое направление вращения? Может, но для этого по логике что-то должно произойти. Для этого ему надо испустить или поглотить частицу, которая изменит его слабый гиперзаряд. В этом ему помогает поле Хиггса которое дало ему начальную массу и возможность поглощать и испускать такие частицы.
Это взаимодействие происходит непрерывно, электрон постоянно меняет “спин” и таким образом получает массу.
Не понятно? Тогда еще проще, чтобы разогнать/затормозить электрон нам надо изменить частоту колебаний туда-обратно, которые мы смело назвали спином. И когда мы захотим это сделать мы столкнемся с неким сопротивлением — инертностью, которая будет ощущаться как тяжесть, усилие, груз или то, что мы называем масса.
Называется все это дело нарушение киральной симметрии(грубо говоря есть разница в какую сторону будет вращаться частица, но об этом в других статьях)
Переходим к большим частицам — протоны и нейтроны
И казалось бы, что может быть проще. Берем 3 кварка и глюоны для их взаимодействия и получаем массу. Мы же выше уже обсудили откуда берут массу кварки, значит если если мы их сложим вместе то получим массу протона или нейтрона.
Получим же, да🙃?
И если вы все ещё не закрыли статью после предыдущих объяснений — у вас есть ещё один повод это сделать.
Это как взять три яблока, взвесить каждое и записать, что каждое яблоко 100 грамм, а потом взвесить их одновременно и получить 2 килограмма.
Так и в протоне масса целого протона 938 МэВ (да да, масса выражается энергией), а масса отдельных кварков 2 + 2 + 4,8 МэВ (немного меньше🤫). Тут конечно тоже будет нарушение киральной симметрии, но есть нюансы.
Здесь частицы уже взаимодействуют не с полем Хиггса, как до этого, а с кварковым полем.
Это поле именно “вблизи” протона приобретает свое ненулевое значение. Можно сравнить с человеком вставшим на табуретку, рост человека не изменился, но общая высота увеличилась.
Такое поле называется конденсатом. Благодаря ему протон/нейтрон приобретает бОльшую часть энергии которую мы воспринимаем как массу.
А теперь немного уточнений и интересной информации:
- В протоне/нейтроне не 3 кварка, это устаревшее понятие, но нам оно подходит. Это огромный коктейль из виртуальных частиц глюонов и кварков. Помните картинку из учебника, где красиво и ровно нарисованы орбиты и красивые шарики летающие по ним. Забудьте😀
- Понятие виртуальных частиц, а также упоминание мюонов/тао/нейтрино не введено намеренно.
- Половина наших кварков это антикварки(для равновесия). Поэтому антиматерия есть в каждом из нас.
Достать не получится. - В человеке весом допустим 85 кг только 800 грамм частиц, остальные 84.2 кг это энергия которая связывает частицы.
- Сам по себе бозон Хиггса нас не волнует потому, что ничего не делает. Кроме как доказывает существование поля.
То, что говорит нам стандартная модель физики частиц, довольно причудливо. Похоже, что существуют конечные строительные блоки, которые действительно обладают характерными физическими свойствами, но масса не является одним из них. Вместо массы мы имеем взаимодействие между элементарными частицами, которые в противном случае были бы безмассовыми, и полем Хиггса.
Эти взаимодействия замедляют частицы, порождая инерцию, которую мы интерпретируем как массу.
Когда эти элементарные частицы объединяются, энергия безмассовых силовых частиц, проходящих между ними, возрастает, что значительно усиливает впечатление плотности и однородности.
И ещё один момент, я немного слукавил, когда сказал, что бозон Хиггса нас не волнует😏 Ему есть ещё чем нас поволновать кроме поля.
В следующей статье про суперсимметрию и мультивселенной мы ещё к нему обратимся.
