كيف خفضت الفيزياء الكتلة

تعلمنا الفيزياء الحديثة أن الكتلة ليست خاصية داخلية للمادة



الآن أنت تجلس وتقرأ هذه المقالة. ربما على الورق ، ربما في كتاب إلكتروني ، على جهاز لوحي أو على جهاز كمبيوتر. لا يهم. مهما كان جهاز القراءة الذي تستخدمه ، يمكنك التأكد من أنه يتكون من نوع من المواد: الورق والبلاستيك والأشياء الإلكترونية الصغيرة ولوحات الدوائر المطبوعة. مهما كان الأمر ، نسميه المادة ، المادة المادية. لديه قوة ، لديه كتلة.

ولكن ما هو الأمر؟ تخيل مكعب ثلج بطول 2.7 سم ، تخيل إمساكه في راحة يدك. الجو بارد وزلق قليلا. يزن قليلا ، ولكن لا يزال لديه بعض الوزن.

دعونا توضيح السؤال. مما تتكون مكعبات الثلج؟ والسؤال الثاني المهم: ما المسؤول عن كتلته؟

لفهم ما يتكون منه مكعب الثلج ، نحتاج إلى اللجوء إلى المعرفة التي حصل عليها الكيميائيون. وفقًا لتقاليد طويلة أسسها الكيميائيون ، يميز هؤلاء العلماء بين العناصر الكيميائية الفردية - الهيدروجين والكربون والأكسجين. دفعت دراسات الأوزان النسبية لهذه العناصر ومزيج أحجام الغاز جون دالتون ولويس غاي لوساك إلى استنتاج أن العناصر الكيميائية المختلفة تتكون من ذرات ذات أوزان مختلفة ، مجتمعة وفقًا للقواعد التي يشارك فيها عدد كبير من الذرات.



تم حل لغز الجمع بين الغازات مثل الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الماء عندما أدركوا أن الهيدروجين والأكسجين غازات دياتومية ، أي H ₂ و O ₂ . والماء مادة مركبة تحتوي على ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة H2O.

هذا يجيب جزئياً على سؤالنا الأول. يتكون مكعب الثلج لدينا من جزيئات H2O المنظمة دوريًا ، ويمكننا بالفعل البدء في الإجابة على السؤال الثاني. يفترض قانون Avogadro أن مول مادة كيميائية يحتوي على 6 × 10 ²³ "جسيمات" فردية. يمكننا أن نتخيل مولًا من مادة كوزن جزيئي متدرج إلى كمية مماثلة للجرام. بالنسبة للهيدروجين في شكل H _{2 ، فإن} الوزن الجزيئي النسبي (أو الوزن الجزيئي ) هو 2 ، مما يعني أن كل ذرة لها وزن ذري نسبي 1. بالنسبة للأكسجين ، O _{2 له} وزن جزيئي 32 ، مما يعني أن كل ذرة لها وزن ذري 16 لذلك ، فإن الوزن الجزيئي لماء H ₂ O هو 2 × 1 + 16 = 18

اتضح أن مكعب الثلج لدينا يزن حوالي 18 جرامًا ، مما يعني أنه مول واحد من الماء. وفقًا لقانون Avogadro ، في هذه الحالة يجب أن يحتوي على حوالي 6 × 10 ²³ H ₂ O جزيئات ، وهذا يبدو أنه يعطي إجابة محددة لسؤالنا الثاني. يتم الحصول على كتلة مكعبات الثلج من كتلة ذرات الهيدروجين والأكسجين الموجودة في جزيئات 6 × 10 ²³ H ₂ O.

لكننا بالطبع نستطيع المضي قدمًا. علمنا جي جي طومسون وإرنست رذرفورد ونيلز بور والعديد من الفيزيائيين الآخرين في أوائل القرن العشرين أن جميع الذرات تتكون من نواة مركزية ثقيلة محاطة بإلكترونات ضوئية في مداراتها. ثم علمنا أن النواة المركزية تتكون من بروتونات ونيوترونات. يحدد عدد البروتونات في النواة الهوية الكيميائية للعنصر: ذرة الهيدروجين لها بروتون واحد ، وذرة الأكسجين ثمانية (يسمى هذا العدد الذري). لكن الكتلة الكلية أو وزن النواة يتحدد بالعدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات.

في الهيدروجين ، لا تزال هذه وحدة (تتكون نواتها من بروتون واحد - بدون نيوترونات). أكثر نظائر الأكسجين شيوعًا - تخمين؟ - 16 (ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات). من الواضح أنه لن يكون من قبيل المصادفة أن هذه البروتونات والنيوترونات تعتبر تمامًا مثل الكتلة الذرية المذكورة.

إذا تجاهلنا الإلكترونات الخفيفة ، فإننا سنميل إلى القول بأن كتلة مكعب الثلج موجودة في جميع البروتونات والنيوترونات في نوى ذرات الهيدروجين والأكسجين. يساهم كل جزيء H ₂ O في 10 بروتونات و 8 نيوترونات ، لذلك ، إذا كان المكعب يحتوي على جزيئات 6 × 10 ²³ ، ويمكننا تجاهل فرق الكتلة الصغير للبروتون والنيوترون ، يمكننا أن نستنتج أن المكعب يحتوي على 18 مرة أكثر من الجسيمات ، أي. ، 108 × 10 ²³ بروتون ونيوترون.

حتى الآن ، جيد جدًا. لكننا لم ننتهي بعد. نحن نعلم الآن أن البروتونات والنيوترونات ليست جسيمات أولية. تتكون من كواركات. يتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي ، ويتكون النيوترون من كواركين سفليين وسفلي علوي [ في الواقع ، ليس كذلك / تقريبًا. perev. ]. والتفاعلات اللونية التي تربط الكواركات معًا داخل جزيئات أكبر تحملها غلوونات عديمة الكتلة.

حسنًا ، نحتاج فقط للمتابعة. إذا أخذنا مرة أخرى كتل الكواركات العلوية والسفلية متساوية تقريبًا ، فإننا ببساطة نضرب رقمنا بثلاثة ، ونحول 108 × 10 ²³ بروتونات ونيوترونات إلى 324 × 10 ²³ الكواركات العلوية والسفلية. ويمكننا أن نستنتج أنه يوجد هناك الكتلة بأكملها. هاه؟

لا. في هذه المرحلة ، تنهار تحيزاتنا الساذجة المرتبطة بالذرات. يمكننا أن نرى كتل الكواركات العلوية والسفلية على موقع مجموعة بيانات الجسيمات [ تعاون دولي من علماء الفيزياء يجمعون النتائج التي تم الحصول عليها في دراسة الجسيمات / تقريبًا. perev. ]. الكواركات العلوية والسفلية خفيفة للغاية بحيث لا يمكن قياس كتلها بدقة ، لذلك يتم إعطاء النطاقات فقط هناك. تم تقديم الأشكال التالية في MeV / s ² . في هذه الوحدات ، تساوي كتلة الكوارك العلوي تقريبًا 2.3 ، في النطاق من 1.8 إلى 3.0. الكوارك السفلي أثقل ، 4.8 ، مع نطاق من 4.5 إلى 5.3. قارن هذه الكتل مع كتلة الإلكترون في نفس الوحدات: 0.51.

والأنباء الصادمة الآن. في نفس الوحدات ، MeV / s ² ، كتلة البروتون هي 938.3 ، وكتلة النيوترون هي 939.6. لكن مزيج المركبين العلوي والسفلي السفلي يعطينا 9.4 فقط ، 1 ٪ فقط من كتلة البروتون. إن الجمع بين اثنين من الكوارك السفلي والواحد العلوي يعطينا فقط 11.9 ، أو 1.3 ٪ من كتلة النيوترون. واختفى 99٪ من كتلة البروتون والنيوترون في مكان ما. ما الخطأ الذي حدث؟

للإجابة على هذا السؤال ، عليك أن تفهم ما نتعامل معه. الكواركات ليست جزيئات مستقلة من النوع الذي كان يتخيله الإغريق أو الفلاسفة الميكانيكيون . هذه هي جزيئات الموجة الكمومية. الاهتزازات الأساسية ، أو تقلبات المجالات الكمية الأولية. الكواركات العلوية والسفلية أثقل عدة مرات فقط من الإلكترون ، وقد أظهرنا طبيعة الموجة الجسيمية للإلكترون في عدد من التجارب المعملية. نحن بحاجة إلى الاستعداد لسلوك غريب ، إن لم يكن غير طبيعي.

ودعونا لا ننسى الغلونات عديمة الكتلة. وحول النظرية النسبية الخاصة و E = mc ² . أو عن الجماهير " العارية " و "المتأنقة". ومع ذلك ، أخيرًا وليس آخرًا ، لن ننسى دور حقل هيجز كمصدر لكتلة جميع الجسيمات الأولية. لفهم ما يحدث داخل البروتون أو النيوترون ، نحتاج إلى التحول إلى الديناميكا الصبغية الكمومية ، إلى النظرية الكمومية لمجال تفاعل الألوان للكواركات.



الكواركات والغلونات لها " شحنة اللون ". ولكن ما هو حقا؟ ليس لدينا طريقة لمعرفة ذلك. نحن نعلم أن اللون هو خاصية للكوارك والغلوونات ، وأن هناك ثلاثة أنواع قرر علماء الفيزياء تسميتها باللون الأحمر والأخضر والأزرق. ولكن تمامًا كما لم يسبق لأحد أن شاهد كواركًا أو جلونًا معزولًا ، لذلك ، لم يعرف أحد من قبل شحنة ألوان عارية. في الواقع ، تدعي الديناميكا اللونية الكمية (QCD) أنه إذا ظهرت مثل هذه الشحنة العارية ، فإن طاقتها ستكون غير محدودة تقريبًا. بدا القول المأثور لأرسطو مثل " الطبيعة لا تتسامح مع الفراغ ". يمكننا اليوم أن نقول: "الطبيعة لا تتسامح مع شحنة لون عارية".

إذن ماذا يحدث إذا تمكنا بطريقة أو بأخرى من إنشاء كوارك معزول مع شحنة ألوان معروضة؟ سوف تتجاوز طاقتها جميع الحدود ، وسوف تكون كافية لتسبب الجلونات الافتراضية من الفضاء "الفارغ". تمامًا مثلما يتحرك الإلكترون من تلقاء نفسه ، يجمع المجال الكهرومغناطيسي الذي تم إنشاؤه بشكل مستقل حشدًا من الفوتونات الافتراضية المصاحبة له ، لذلك يقوم الكوارك العاري بجمع الغلونات الافتراضية المصاحبة له. ولكن على عكس الفوتونات ، تنقل الغلوونات شحنتها اللونية وتكون قادرة على تقليل الطاقة من خلال إخفاء شحنة ألوان مفتوحة على وجه الخصوص. تخيل هذا: الكوارك العاري محرج للغاية ، وسرعان ما يرتدي عباءة من جلونز.

لكن هذا لا يكفي. هذه الطاقة عالية بما يكفي ليس فقط لتسبب جسيمات افتراضية (تشبه ضوضاء الخلفية أو الهسهسة) ، ولكن أيضًا جسيمات أولية حقيقية. في هذه المعركة من أجل الحق في تغطية شحنة اللون العارية ، يظهر أثر قديم ، يتزاوج مع كوارك عارية ويشكل ميزون. لذا فإن الكوارك لا يُرى أبداً - بدون أي شخص مصاحب له.

لكن هذا لا يكفي. لتغطية شحنة اللون بالكامل ، نحتاج إلى وضع علامة التحذير في نفس المكان بالضبط وفي نفس وقت الكوارك بالضبط. يحظر مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ الطبيعة لتحديد موقع الكوارك والآثار القديمة بهذه الطريقة. تذكر أن القياس الدقيق للموضع يؤدي إلى زخم لا نهائي ، وأن معدل التغيير الدقيق في الطاقة بمرور الوقت يؤدي إلى طاقة لا نهائية. ليس أمام الطبيعة من خيار سوى التنازل. لا يمكنها إخفاء شحنة اللون تمامًا ، ولكن يمكنها إخفاءها بمساعدة antiquark و gluons الافتراضية. ثم تنخفض الطاقة ، على الأقل ، إلى مستوى محكوم.

يحدث الشيء نفسه داخل البروتونات والنيوترونات. ضمن القيود التي تفرضها جزيئات المضيف ، يتم حمل ثلاثة كواركات بحرية هنا وهناك. ولكن يجب أيضًا تغطية الشحنات الملونة ، أو على الأقل من الضروري تقليل طاقة الشحنات العارية. يؤدي كل كوارك إلى ظهور عاصفة ثلجية كاملة من الجلونات الافتراضية التي تندفع بينها ، جنبًا إلى جنب مع أزواج الكواركات العتيقة. يطلق الفيزيائيون أحيانًا على الكواركات الثلاثة التي تتكون منها بروتونات أو نيوترونات " تكافؤ " ، حيث توجد داخل هذه الجسيمات طاقة كافية لظهور بحر من أزواج الكواركات العتيقة. كواركات التكافؤ ليست الكواركات الوحيدة داخل هذه الجسيمات.

وهذا يعني أن كتلة البروتونات والنيوترونات يمكن أن تُعزى بشكل رئيسي إلى طاقة الغلوونات وبحر أزواج الكواركات العتيقة القديمة الناتجة عن حقل ملون.

كيف نعرف ذلك؟ يجب على المرء أن يعترف أنه من الصعب جدًا إجراء الحسابات باستخدام QCD. تفاعل اللون قوي للغاية ، وبالتالي فإن طاقات التفاعل المقابلة عالية جدًا. تذكر أن للجلونات أيضًا شحنة ألوان ، لذلك يتفاعل كل شيء مع كل شيء آخر. يمكن أن يحدث أي شيء تقريبًا ، ومن الصعب جدًا مراعاة جميع التحولات المحتملة للجسيمات الافتراضية والأولية.

هذا يعني أنه على الرغم من أنه يمكن كتابة معادلات QCD ببساطة نسبيًا ، إلا أنه لا يمكن حلها بشكل تحليلي على الورق. بالإضافة إلى ذلك ، لم تعد خفة اليد الرياضية ، التي تم استخدامها بنجاح في الديناميكا الكهربائية الكمومية ، قابلة للتطبيق - نظرًا لأن طاقات التفاعل عالية جدًا بحيث لا يمكننا تطبيق إعادة التنسيق . ليس أمام الفيزيائيين خيار سوى حل هذه المعادلات على الكمبيوتر.

تم تحقيق تقدم كبير بمساعدة نسخة "خفيفة الوزن" من QCD [QCD-lite]. إنها تنظر فقط إلى gluons عديمة الكتلة ، الكواركات العلوية والسفلية ، وتقترح أن الكواركات نفسها هي أيضًا عديمة الكتلة (أي حرفيا "خفيفة الوزن"). أعطت الحسابات التي أجريت بهذه التقريبات كتلة البروتون أقل بنسبة 10 ٪ فقط من الكتلة المقاسة.

دعونا نتوقف للحظة ونفكر في الأمر. نسخة مبسطة من QCD ، والتي نعني فيها أن الجسيمات ليس لها كتل ، لا تزال تعطي 90 ٪ من الكتلة الصحيحة للبروتون. اتضح خاتمة مذهلة. تأتي معظم كتلة البروتون من طاقة تفاعلات الكواركات والغلونات المكونة لها.

استخدم جون ويلر عبارة "كتلة بلا كتلة" لوصف آثار تراكب موجات الجاذبية التي يمكنها تركيز وتوطين الطاقة بحيث يظهر ثقب أسود. إذا حدث هذا ، فهذا يعني أن الثقب الأسود - المظهر النهائي للمادة فائقة الكثافة - لم يتم إنشاؤه من مسألة نجم متدهور ، ولكن من تقلبات الزمكان. ما أراد ويلر قوله حقًا هو أن مثل هذه الحالة ستكون مثالًا على إنشاء ثقب أسود (كتلة) من طاقة الجاذبية.

لكن عبارة ويلر تناسبنا جيدًا. استخدمه فرانك ويلسيك ، أحد مبدعي QCD ، في اتصال مع مناقشة نتائج حسابات QCD خفيفة الوزن. إذا كانت معظم كتلة البروتون والنيوترون تأتي من طاقة التفاعلات التي تحدث داخل هذه الجسيمات ، فعندئذٍ يتبين أن هذا "كتلة بدون كتلة" ، مما يعني أن لدينا سلوكًا يُنسب للكتلة ، والذي لا يتطلب الكتلة كخاصية .

يبدو مألوفا؟ تذكر أنه في إضافة أينشتاين المثمرة لعمله عام 1905 على النظرية النسبية الخاصة ، تبدو المعادلة التي حصل عليها في الواقع مثل m = E / c ² . وهذه فكرة رائعة (ليست E = mc ² ). وأينشتاين ، في الواقع ، كتب نبويًا: "وزن الجسم هو مقياس لمحتوى طاقته" [أينشتاين ، أ. هل يعتمد القصور الذاتي للجسم على محتواه من الطاقة؟ Annalen der Physik 18 (1905)]. هكذا هي. في كتابه "خفة الوجود" [Wilczek، F. The Lightness of Being، Basic Books، New York، NY (2008)] ، كتب Wilczek:

إذا كانت كتلة جسم الإنسان تأتي بشكل رئيسي من البروتونات والنيوترونات الموجودة فيه ، فقد أصبحت الإجابة الآن واضحة ونهائية. القصور الذاتي لهذا الجسم دقيق بنسبة 95٪ بسبب محتواه من الطاقة.

في انشطار نواة اليورانيوم -235 ، يتم إطلاق جزء من طاقة الحقول الملونة الموجودة داخل البروتونات والنيوترونات ، مع عواقب محتملة للانفجار. في سلسلة البروتون-البروتون ، والتي تتضمن توليف أربعة بروتونات ، يؤدي تحويل الكواركين العلويين إلى الكواركين السفليين ، وتشكيل نيوترونين في العملية ، إلى إطلاق الطاقة الزائدة لحقولهم الملونة. لا تتحول الكتلة إلى طاقة. يتم نقل الطاقة من نوع حقل كمي إلى آخر.

وماذا نحصل؟ بالطبع ، لقد قطعنا شوطًا طويلاً منذ أن ناقش ذرَّاء اليونان القديمة طبيعة المادة المادية قبل 2500 عام. ولكن في معظم الوقت كنا نعتقد أن المادة جزء أساسي من كوننا المادي. كنا مقتنعين بأن الطاقة موجودة في المادة. وعلى الرغم من إمكانية اختزال المادة إلى مكونات مجهرية ، إلا أننا اعتقدنا لفترة طويلة أنها ستظل مادة ، وتمتلك جودة أساسية مثل الكتلة.

تعلمنا الفيزياء الحديثة شيئًا مختلفًا تمامًا وغير بديهي تمامًا. تعبيد طريقنا إلى الداخل أعمق - وضع المادة في الذرات ، الذرات في الجسيمات دون الذرية ، الجسيمات دون الذرية في الحقول الكمومية والتفاعلات - فقدنا البصر تمامًا عن المادة. المسألة فقدت الاتصال. لقد فقدت تفوقها ، وأصبحت الكتلة خاصية ثانوية ، نتيجة للتفاعلات بين الحقول الكمومية غير الملموسة. ما نعتبره كتلة هو سلوك هذه الحقول الكمومية. أنها ليست ملكية خاصة بهم أو بالضرورة متأصلة.

على الرغم من حقيقة أن عالمنا مليء بالأشياء الصعبة والثقيلة ، إلا أن طاقة الحقول الكمومية تحكم الكرة. تصبح الكتلة مجرد مظهر مادي لهذه الطاقة ، وليس العكس.

من الناحية النظرية ، يبدو الأمر صادمًا ، ولكنه في نفس الوقت جذاب للغاية. إن الخاصية الموحدة الكبرى للكون هي طاقة الحقول الكمومية ، وليس الذرات الصلبة وغير القابلة للاختراق. ربما ليس هذا هو الحلم بالضبط الذي يمكن للفلاسفة التمسك به ، لكنه لا يزال حلمًا.

جيم باغوت صحفي وكاتب مستقل حاضر في الكيمياء ، ثم عمل في شركة شل ويعمل الآن كمستشار ومدرب أعمال مستقل. من بين كتبه العديدة: القصة العلمية للخلق ، هيجز: اختراع واكتشاف جسيم الله ، تاريخ الكم: قصة 40 لحظات "[قصة كمومية: تاريخ في 40 دقيقة] و" دليل مبتدئ للواقع ".

مقطع مقتبس من كتاب: "الكتلة: بحثًا عن فهم المادة من الذرات اليونانية إلى الحقول الكمومية" [الكتلة: السعي لفهم المادة من الذرات اليونانية إلى الحقول الكمية].