Wie die Physik die Masse herabstufte

Die moderne Physik lehrt uns, dass Masse keine innere Eigenschaft der Materie ist



Jetzt sitzen Sie und lesen diesen Artikel. Vielleicht auf Papier, vielleicht in einem E-Book, auf einem Tablet oder auf einem Computer. Das ist nicht wichtig. Unabhängig davon, welches Lesegerät Sie verwenden, können Sie sicher sein, dass es aus einer Substanz besteht: Papier, Kunststoff, winzige elektronische Dinge, Leiterplatten. Was auch immer es ist, wir nennen es Materie, materielle Materie. Er hat Kraft, er hat Masse.

Aber was ist Materie? Stellen Sie sich einen Eiswürfel mit einer 2,7 cm langen Rippe vor. Stellen Sie sich vor, Sie halten ihn in Ihrer Handfläche. Es ist kalt und etwas rutschig. Er wiegt wenig, hat aber immer noch etwas Gewicht.

Lassen Sie uns die Frage klären. Woraus besteht ein Eiswürfel? Und die zweite wichtige Frage: Was ist für seine Masse verantwortlich?

Um zu verstehen, woraus ein Eiswürfel besteht, müssen wir uns dem Wissen der Chemiker zuwenden. Nach einer langen Tradition, die von Alchemisten begründet wurde, unterscheiden diese Wissenschaftler zwischen einzelnen chemischen Elementen - Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff. Untersuchungen des relativen Gewichts solcher Elemente und der Kombination von Gasvolumina führten John Dalton und Louis Gay-Lussac zu dem Schluss, dass verschiedene chemische Elemente aus Atomen mit unterschiedlichem Gewicht bestehen, die nach den Regeln kombiniert werden, an denen eine ganze Anzahl von Atomen beteiligt ist.



Das Rätsel der Kombination von Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Wasser wurde gelöst, als sie erkannten, dass Wasserstoff und Sauerstoff zweiatomige Gase sind, dh H ₂ und O ₂ . Und Wasser ist eine zusammengesetzte Substanz, die zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom, H ₂ O, enthält.

Dies beantwortet teilweise unsere erste Frage. Unser Eiswürfel besteht aus periodisch organisierten H ₂ O-Molekülen. Wir können bereits mit der Beantwortung der zweiten Frage beginnen. Das Avogadro-Gesetz postuliert, dass ein Mol einer chemischen Substanz 6 × 10 ²³ einzelne „Partikel“ enthält. Wir können uns ein Mol einer Substanz als ein Molekulargewicht vorstellen, das auf eine Menge skaliert ist, die mit einem Gramm vergleichbar ist. Für Wasserstoff in Form von H ₂ beträgt _das relative Molekulargewicht (oder Molekulargewicht ) 2, was bedeutet, dass jedes Atom ein relatives Atomgewicht von 1 hat. Für Sauerstoff hat O _{2 ein} Molekulargewicht von 32, was bedeutet, dass jedes Atom ein Atomgewicht von 16 hat Daher beträgt das Molekulargewicht von H ₂ O-Wasser 2 × 1 + 16 = 18

Es stellt sich heraus, dass unser Eiswürfel ungefähr 18 Gramm wiegt, was bedeutet, dass es ein Mol Wasser ist. Nach dem Avogadro-Gesetz sollte es in diesem Fall etwa 6 × 10 ²³ H ₂ O-Moleküle enthalten. Dies scheint eine eindeutige Antwort auf unsere zweite Frage zu geben. Die Masse eines Eiswürfels ergibt sich aus der Masse der Wasserstoff- und Sauerstoffatome, die in 6 × 10 ²³ H ₂ O-Molekülen enthalten sind.

Aber wir können natürlich noch weiter gehen. JJ Thomson , Ernest Rutherford , Niels Bohr und viele andere Physiker des frühen 20. Jahrhunderts lehrten uns, dass alle Atome aus einem schweren zentralen Kern bestehen, der in ihren Bahnen von leichten Elektronen umgeben ist. Dann haben wir gelernt, dass der zentrale Kern aus Protonen und Neutronen besteht. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die chemische Identität des Elements: Das Wasserstoffatom hat ein Proton und das Sauerstoffatom hat acht (dies wird als Ordnungszahl bezeichnet). Die Gesamtmasse oder das Gesamtgewicht des Kerns wird jedoch durch die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bestimmt.

In Wasserstoff ist dies immer noch eine Einheit (sein Kern besteht aus einem Proton - ohne Neutronen). Das häufigste Sauerstoffisotop - raten Sie mal? - 16 (acht Protonen und acht Neutronen). Offensichtlich ist es kein Zufall, dass diese Protonen und Neutronen genau so angesehen werden wie die erwähnte Atommasse.

Wenn wir Lichtelektronen ignorieren, werden wir versucht sein zu sagen, dass die Masse des Eiswürfels in allen Protonen und Neutronen in den Kernen seiner Wasserstoff- und Sauerstoffatome enthalten ist. Jedes H ₂ O-Molekül trägt 10 Protonen und 8 Neutronen bei. Wenn der Würfel 6 × 10 ²³ Moleküle enthält und wir den kleinen Massenunterschied zwischen Proton und Neutron ignorieren können, können wir daraus schließen, dass der Würfel 18-mal mehr Partikel enthält, d. H. 108 × 10 ²³ Protonen und Neutronen.

So weit, so gut. Aber wir sind noch nicht fertig. Jetzt wissen wir, dass Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen sind. Sie bestehen aus Quarks. Ein Proton besteht aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark, und ein Neutron besteht aus zwei unteren Quarks und einem oberen [ in der Tat nicht ganz so / ca. perev. ]. Und die Farbwechselwirkungen, die Quarks in größeren Partikeln zusammenbinden, werden von masselosen Gluonen getragen.

Okay, wir müssen einfach weitermachen. Wenn wir die Massen der oberen und unteren Quarks wieder ungefähr gleich nehmen, multiplizieren wir einfach unsere Zahl mit drei und wandeln 108 × 10 ²³ Protonen und Neutronen in 324 × 10 ²³ obere und untere Quarks um. Und wir können daraus schließen, dass dort die gesamte Masse enthalten ist. Huh?

Nein. In diesem Stadium bröckeln unsere naiven Vorurteile, die mit Atomen verbunden sind. Wir können die Massen der oberen und unteren Quarks auf der Website der Partikeldatengruppe sehen [eine internationale Zusammenarbeit von Physikern, die die Ergebnisse der Untersuchung von Partikeln zusammenstellt / ca. perev. ]. Die oberen und unteren Quarks sind so leicht, dass ihre Massen nicht genau gemessen werden können, daher werden dort nur Bereiche angegeben. Die folgenden Zahlen sind in MeV / s ^{2 angegeben} . In diesen Einheiten beträgt die Masse des oberen Quarks ungefähr 2,3 im Bereich von 1,8 bis 3,0. Der untere Quark ist mit 4,8 schwerer und liegt zwischen 4,5 und 5,3. Vergleichen Sie diese Massen mit der Masse des Elektrons in den gleichen Einheiten: 0,51.

Und jetzt schockierende Neuigkeiten. In den gleichen Einheiten, MeV / s ² , beträgt die Masse des Protons 938,3, die Masse des Neutrons 939,6. Die Kombination der beiden oberen und einen unteren Quark ergibt jedoch nur 9,4, nur 1% der Masse des Protons. Die Kombination von zwei unteren und einem oberen Quark ergibt nur 11,9 oder 1,3% der Neutronenmasse. Und 99% der Masse des Protons und des Neutrons verschwanden irgendwo. Was ist schief gelaufen?

Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie verstehen, womit wir es zu tun haben. Quarks sind keine eigenständigen Teilchen, wie sie sich die alten Griechen oder mechanischen Philosophen vorgestellt hätten. Dies sind Quantenwellenteilchen; Grundschwingungen oder Schwankungen elementarer Quantenfelder. Die oberen und unteren Quarks sind nur um ein Vielfaches schwerer als das Elektron, und wir haben in unzähligen Laborexperimenten die Teilchenwellennatur des Elektrons nachgewiesen. Wir müssen uns auf seltsames, wenn nicht unnatürliches Verhalten vorbereiten.

Und vergessen wir nicht die masselosen Gluonen. Und über die spezielle Relativitätstheorie und E = mc ² . Oder über die " nackten " und "gekleideten" Massen. Und zu guter Letzt werden wir die Rolle des Higgs-Feldes als „Quelle“ der Masse aller Elementarteilchen nicht vergessen. Um zu verstehen, was in einem Proton oder Neutron geschieht, müssen wir uns der Quantenchromodynamik und der Quantentheorie des Feldes der Farbwechselwirkung von Quarks zuwenden.



Quarks und Gluonen haben eine " Farbladung ". Aber was ist das wirklich? Wir haben keine Möglichkeit, dies zu wissen. Wir wissen, dass Farbe eine Eigenschaft von Quarks und Gluonen ist, dass es drei Arten gibt, die Physiker als Rot, Grün und Blau bezeichnet haben. Aber so wie niemand jemals einen isolierten Quark oder Gluon gesehen hat, so hat per Definition niemand jemals eine bloße Farbladung gesehen. Tatsächlich behauptet die Quantenchromodynamik (QCD), dass ihre Energie nahezu unendlich wäre, wenn eine solche bloße Ladung auftreten würde. Aristoteles 'Aphorismus klang wie " Natur toleriert keine Leere ". Heute könnte man sagen: "Die Natur toleriert keine nackte Farbladung."

Was passiert also, wenn es uns irgendwie gelingt, einen isolierten Quark mit einer angezeigten Farbladung zu erstellen? Seine Energie wird alle Grenzen überschreiten, es wird ausreichen, um virtuelle Gluonen aus dem "leeren" Raum zu verursachen. So wie ein Elektron, das sich in seinem eigenen, unabhängig erzeugten elektromagnetischen Feld bewegt, eine Menge virtueller Photonen sammelt, die es begleiten, so sammelt ein nackter Quark virtuelle Gluonen, die es begleiten. Im Gegensatz zu Photonen übertragen Gluonen jedoch ihre Farbladung und können Energie reduzieren, indem sie insbesondere eine offene Farbladung maskieren. Stellen Sie sich Folgendes vor: Der nackte Quark ist sehr verlegen und zieht sich schnell einen Umhang aus Gluonen an.

Das reicht aber nicht. Diese Energie ist hoch genug, um nicht nur virtuelle Partikel (ähnlich Hintergrundgeräuschen oder Zischen), sondern auch reale Elementarteilchen zu verursachen. In diesem Kampf um das Recht, eine bloße Farbladung abzudecken, erscheint ein Antiquark, der sich mit einem bloßen Quark paart und ein Meson bildet. Ein Quark wird also niemals - niemals - ohne eine begleitende Person gesehen.

Das reicht aber nicht. Um die Farbladung vollständig abzudecken, müssen wir den Antiquark genau an der gleichen Stelle und genau zur gleichen Zeit wie den Quark platzieren. Das Heisenbergsche Unschärferelation verbietet der Natur, den Standort eines Quarks und eines Antiquarks auf diese Weise zu bestimmen. Denken Sie daran, dass eine genaue Positionsmessung zu einem unendlichen Impuls führt und eine genaue Änderungsrate der Energie im Laufe der Zeit zu einer unendlichen Energie führt. Die Natur hat keine andere Wahl, als Kompromisse einzugehen. Sie kann die Farbladung nicht vollständig verbergen, sondern sie mit Hilfe von Antiquark und virtuellen Gluonen verschleiern. Dann sinkt zumindest die Energie auf ein kontrolliertes Niveau.

Das gleiche passiert in Protonen und Neutronen. Innerhalb der durch ihre Wirtspartikel auferlegten Grenzen werden drei Quarks hier und da relativ frei getragen. Aber ihre farbigen Ladungen müssen auch abgedeckt werden, oder zumindest ist es notwendig, die Energie der bloßen Ladungen zu reduzieren. Jeder Quark führt zum Auftreten eines ganzen Schneesturms virtueller Gluonen, die zusammen mit Quark-Antiquark-Paaren zwischen ihnen rauschen. Physiker nennen die drei Quarks, aus denen ein Proton oder ein Neutron besteht, manchmal " Valenz " -Quarks, da in diesen Teilchen genügend Energie für das Auftreten eines Meeres von Quark-Antiquark-Paaren vorhanden ist. Valenzquarks sind nicht die einzigen Quarks in diesen Partikeln.

Dies bedeutet, dass die Masse der Protonen und Neutronen hauptsächlich auf die Energie der Gluonen und das Meer der Quark-Antiquark-Paare zurückzuführen ist, die durch ein farbiges Feld verursacht werden.

Woher wissen wir das? Man muss zugeben, dass es eigentlich ziemlich schwierig ist, Berechnungen mit QCD durchzuführen. Die Farbwechselwirkung ist extrem stark und die entsprechenden Wechselwirkungsenergien sind daher sehr hoch. Denken Sie daran, dass Gluonen auch eine Farbladung haben, sodass alles mit allem anderen interagiert. Es kann fast alles passieren, und es ist ziemlich schwierig, alle möglichen Transformationen von virtuellen und Elementarteilchen zu berücksichtigen.

Dies bedeutet, dass die QCD-Gleichungen zwar relativ einfach geschrieben werden können, jedoch nicht analytisch auf Papier gelöst werden können. Darüber hinaus ist das in der Quantenelektrodynamik so erfolgreich eingesetzte mathematische Geschicklichkeit nicht mehr anwendbar - da die Wechselwirkungsenergien so hoch sind, dass wir keine Renormierung anwenden können. Physiker haben keine andere Wahl, als diese Gleichungen am Computer zu lösen.

Mit Hilfe einer „leichten“ Version von QCD [QCD-lite] wurden große Fortschritte erzielt. Sie betrachtet nur masselose Gluonen, obere und untere Quarks und schlägt vor, dass die Quarks selbst auch masselos sind (dh buchstäblich „leicht“). Mit solchen Näherungen durchgeführte Berechnungen ergaben, dass die Protonenmasse nur 10% unter der gemessenen Masse lag.

Lassen Sie uns einen Moment innehalten und darüber nachdenken. Eine vereinfachte Version von QCD, in der wir meinen, dass die Teilchen keine Massen haben, ergibt immer noch 90% der korrekten Masse des Protons. Es stellt sich eine erstaunliche Schlussfolgerung heraus. Der größte Teil der Protonenmasse stammt aus der Energie der Wechselwirkungen seiner Quarks und Gluonen.

John Wheeler verwendete den Ausdruck „Masse ohne Masse“, um die Auswirkungen von Überlagerungen von Gravitationswellen zu beschreiben, die Energie konzentrieren und lokalisieren können, sodass ein Schwarzes Loch erscheint. In diesem Fall würde das Schwarze Loch - die ultimative Manifestation der überdichten Materie - nicht aus der Materie eines kollabierenden Sterns entstehen, sondern aus den Schwankungen der Raumzeit. Was Wheeler wirklich sagen wollte, war, dass ein solcher Fall ein Beispiel für die Erzeugung eines Schwarzen Lochs (Masse) aus Gravitationsenergie sein würde.

Aber Wheelers Satz passt gut zu uns. Frank Wilcek , einer der Entwickler von QCD, verwendete es im Zusammenhang mit einer Diskussion der Ergebnisse leichter QCD-Berechnungen. Wenn der Großteil der Masse des Protons und des Neutrons aus der Energie der in diesen Teilchen auftretenden Wechselwirkungen stammt, stellt sich heraus, dass es sich tatsächlich um „Masse ohne Masse“ handelt, was bedeutet, dass wir das der Masse zugeschriebene Verhalten zur Hand haben, für das keine Masse als Eigenschaft erforderlich ist .

Kommt Ihnen das bekannt vor? Erinnern Sie sich daran, dass in Einsteins fruchtbarer Ergänzung zu seiner Arbeit von 1905 über die spezielle Relativitätstheorie die Gleichung, die er erhalten hat, tatsächlich wie m = E / c ² aussieht. Und das ist eine großartige Idee (nicht E = mc ² ). Und tatsächlich schrieb Einstein prophetisch: „Das Körpergewicht ist ein Maß für seinen Energiegehalt“ [Einstein, A. Hängt die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt ab? Annalen der Physik 18 (1905)]. So ist es. In seinem Buch „Die Leichtigkeit des Seins“ [Wilczek, F. Die Leichtigkeit des Seins, Basic Books, New York, NY (2008)] schrieb Wilczek:

Wenn die Masse des menschlichen Körpers hauptsächlich aus den darin enthaltenen Protonen und Neutronen stammt, ist die Antwort jetzt klar und endgültig. Die Trägheit dieses Körpers ist aufgrund seines Energiegehalts auf 95% genau.

Bei der Spaltung des Uran-235-Kerns wird ein Teil der Energie der in den Protonen und Neutronen enthaltenen Farbfelder freigesetzt, was möglicherweise explosive Folgen hat. In der Proton-Proton-Kette, die die Synthese von vier Protonen umfasst, führt die Umwandlung von zwei oberen Quarks in zwei untere Quarks, wobei zwei Neutronen gebildet werden, zur Freisetzung überschüssiger Energie ihrer Farbfelder. Masse wird nicht zu Energie. Energie wird von einem Quantenfeldtyp auf einen anderen übertragen.

Und was bekommen wir? Natürlich haben wir einen langen Weg zurückgelegt, seit die Atomisten des antiken Griechenland vor 2500 Jahren über die Natur der materiellen Materie diskutierten. Aber die meiste Zeit glaubten wir, dass Materie ein grundlegender Teil unseres physischen Universums ist. Wir waren überzeugt, dass Energie in Materie enthalten ist. Und obwohl Materie auf mikroskopische Komponenten reduziert werden kann, haben wir lange geglaubt, dass sie immer noch Materie sind und eine so grundlegende Qualität wie Masse besitzen.

Die moderne Physik lehrt uns etwas völlig anderes, völlig eingängiges. Als wir unseren Weg tiefer nach innen ebneten - Materie in Atome, Atome in subatomare Teilchen, subatomare Teilchen in Quantenfelder und Wechselwirkungen -, haben wir die Materie völlig aus den Augen verloren. Materie hat den Kontakt verloren. Es hat seine Überlegenheit verloren und die Masse ist zu einer sekundären Eigenschaft geworden, die das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen immateriellen Quantenfeldern ist. Was wir als Masse betrachten, ist das Verhalten dieser Quantenfelder; es ist keine Eigenschaft, die ihnen gehört oder notwendigerweise inhärent ist.

Trotz der Tatsache, dass unsere Welt mit harten und schweren Dingen gefüllt ist, regiert die Energie der Quantenfelder den Ball. Die Masse wird nur eine physische Manifestation dieser Energie und nicht umgekehrt.

Konzeptionell sieht es schockierend aus, ist aber gleichzeitig äußerst attraktiv. Die große verbindende Eigenschaft des Universums ist die Energie von Quantenfeldern und nicht von starren, undurchdringlichen Atomen. Vielleicht ist dies nicht genau der Traum, an dem Philosophen festhalten könnten, aber dennoch ist es ein Traum.

Jim Baggot ist ein freiberuflicher Journalist und Autor, der in Chemie lehrte, dann für Shell arbeitete und jetzt als unabhängiger Unternehmensberater und Trainer arbeitet. Zu seinen zahlreichen Büchern gehören: Die wissenschaftliche Schöpfungsgeschichte, Higgs: Die Erfindung und Entdeckung des 'Gott-Teilchens', Quantengeschichte: Eine Geschichte von 40 Momente “[Eine Quantengeschichte: Eine Geschichte in 40 Momenten] und„ Ein Leitfaden für Anfänger zur Realität].

Angepasste Passage aus dem Buch: „Masse: Auf der Suche nach dem Verständnis der Materie von griechischen Atomen zu Quantenfeldern“ [Masse: Die Suche nach dem Verständnis der Materie von griechischen Atomen zu Quantenfeldern].