Cómo la física rebajó la masa

La física moderna nos enseña que la masa no es una propiedad interna de la materia.



Ahora estás sentado y leyendo este artículo. Tal vez en papel, tal vez en un libro electrónico, en una tableta o en una computadora. No importa Independientemente del dispositivo de lectura que utilice, puede estar seguro de que consiste en algún tipo de sustancia: papel, plástico, pequeñas cosas electrónicas, placas de circuito impreso. Sea lo que sea, lo llamamos materia, materia material. Tiene fuerza, tiene masa.

¿Pero qué es la materia? Imagine un cubito de hielo con una costilla de 2.7 cm de largo, imagínelo sosteniéndolo en la palma de su mano. Hace frío y está un poco resbaladizo. Pesa poco, pero todavía tiene algo de peso.

Aclaremos la pregunta. ¿En qué consiste un cubito de hielo? Y la segunda pregunta importante: ¿cuál es el responsable de su masa?

Para comprender en qué consiste un cubito de hielo, debemos recurrir al conocimiento obtenido por los químicos. Según una larga tradición fundada por alquimistas, estos científicos distinguen entre elementos químicos individuales: hidrógeno, carbono, oxígeno. Los estudios de los pesos relativos de tales elementos y la combinación de los volúmenes de gas llevaron a John Dalton y Louis Gay-Lussac a concluir que varios elementos químicos consisten en átomos de diferentes pesos, combinados de acuerdo con las reglas en las que participa un número entero de átomos.



El misterio de combinar gases como el hidrógeno y el oxígeno para producir agua se resolvió cuando se dieron cuenta de que el hidrógeno y el oxígeno son gases diatómicos, es decir, H ₂ y O ₂ . Y el agua es una sustancia compuesta que contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, H2O.

Esto responde parcialmente a nuestra primera pregunta. Nuestro cubo de hielo consiste en moléculas de H2O organizadas periódicamente. Ya podemos comenzar a responder la segunda pregunta. La ley de Avogadro postula que un mol de una sustancia química contiene 6 × 10 ²³ "partículas" individuales. Podemos imaginar un mol de una sustancia como un peso molecular escalado a una cantidad comparable a un gramo. Para el hidrógeno en forma de H2 _{, el} peso molecular relativo (o peso molecular ) es 2, lo que significa que cada átomo tiene un peso atómico relativo de 1. Para el oxígeno, O2 _{tiene un} peso molecular de 32, lo que significa que cada átomo tiene un peso atómico de 16 Por lo tanto, el peso molecular del agua H2O es 2 × 1 + 16 = 18

Resulta que nuestro cubo de hielo pesa unos 18 gramos, lo que significa que es un mol de agua. Según la ley de Avogadro, en este caso debería contener aproximadamente 6 × 10 ²³ moléculas de H2O. Esto parece dar una respuesta definitiva a nuestra segunda pregunta. La masa de un cubo de hielo se obtiene de la masa de átomos de hidrógeno y oxígeno contenidos en 6 × 10 ²³ moléculas de H2O.

Pero, por supuesto, podemos ir más allá. J.J. Thomson , Ernest Rutherford , Niels Bohr y muchos otros físicos de principios del siglo XX nos enseñaron que todos los átomos consisten en un núcleo central pesado rodeado de electrones de luz en sus órbitas. Luego aprendimos que el núcleo central consiste en protones y neutrones. El número de protones en el núcleo determina la identidad química del elemento: el átomo de hidrógeno tiene un protón y el átomo de oxígeno tiene ocho (esto se llama número atómico). Pero la masa o peso total del núcleo está determinada por el número total de protones y neutrones.

En el hidrógeno, esta sigue siendo una unidad (su núcleo consiste en un protón, sin neutrones). El isótopo de oxígeno más común, ¿adivina? - 16 (ocho protones y ocho neutrones). Obviamente, no será una coincidencia que estos protones y neutrones se consideren exactamente iguales a la masa atómica mencionada.

Si ignoramos los electrones ligeros, entonces tendremos la tentación de decir que la masa del cubo de hielo está contenida en todos los protones y neutrones en los núcleos de sus átomos de hidrógeno y oxígeno. Cada molécula de H2O aporta 10 protones y 8 neutrones, por lo tanto, si el cubo contiene 6 × 10 ²³ moléculas, y podemos ignorar la pequeña diferencia de masa del protón y el neutrón, podemos concluir que el cubo contiene 18 veces más partículas, es decir. 108 × 10 ²³ protones y neutrones.

Hasta ahora todo bien. Pero aún no hemos terminado. Ahora sabemos que los protones y los neutrones no son partículas elementales. Están formados por quarks. Un protón consta de dos quarks superiores y un quark inferior, y un neutrón consta de dos quarks inferiores y uno superior [ de hecho, no tan / aprox. perev. ] Y las interacciones de color que unen a los quarks dentro de partículas más grandes son transportadas por gluones sin masa.

Bien, entonces solo necesitamos continuar. Si nuevamente tomamos las masas de los quarks superiores e inferiores aproximadamente iguales, simplemente multiplicamos nuestro número por tres, y convertimos 108 × 10 ²³ protones y neutrones en 324 × 10 ²³ quarks superiores e inferiores. Y podemos concluir que es allí donde está contenida toda la masa. ¿Eh?

No En esta etapa, nuestros prejuicios ingenuos asociados con los átomos se están desmoronando. Podemos ver las masas de los quarks superiores e inferiores en el sitio web del Grupo de datos de partículas [una colaboración internacional de físicos que compilan los resultados obtenidos en el estudio de partículas / aprox. perev. ] Los quarks superior e inferior son tan ligeros que sus masas no se pueden medir con precisión, por lo que solo se dan rangos allí. Las siguientes cifras se dan en MeV / s ² . En estas unidades, la masa del quark superior es aproximadamente igual a 2.3, en el rango de 1.8 a 3.0. El quark inferior es más pesado, 4.8, con un rango de 4.5 a 5.3. Compare estas masas con la masa del electrón en las mismas unidades: 0.51.

Y ahora noticias impactantes. En las mismas unidades, MeV / s ² , la masa del protón es 938.3, la masa del neutrón es 939.6. Pero la combinación de los dos quark superiores y uno inferior nos da solo 9.4, solo el 1% de la masa del protón. La combinación de dos quark inferiores y uno superior nos da solo 11.9, o 1.3% de la masa de neutrones. Y el 99% de la masa del protón y el neutrón desapareció en alguna parte. ¿Qué salió mal?

Para responder a esta pregunta, debe comprender a qué nos enfrentamos. Los Quarks no son partículas independientes del tipo que los antiguos griegos o filósofos mecánicos habrían imaginado. Estas son partículas de onda cuántica; vibraciones fundamentales o fluctuaciones de campos cuánticos elementales. Los quarks superior e inferior son solo varias veces más pesados ​​que el electrón, y hemos demostrado la naturaleza de onda de las partículas del electrón en innumerables experimentos de laboratorio. Necesitamos prepararnos para un comportamiento extraño, si no antinatural.

Y no nos olvidemos de los gluones sin masa. Y sobre la teoría especial de la relatividad y E = mc ² . O sobre las masas " desnudas " y "vestidas". Y, sin embargo, por último, pero no menos importante, no nos olvidaremos del papel del campo de Higgs como una "fuente" de la masa de todas las partículas elementales. Para comprender lo que está sucediendo dentro de un protón o neutrón, debemos recurrir a la cromodinámica cuántica, a la teoría cuántica del campo de interacción de colores de los quarks.



Quarks y gluones tienen una " carga de color ". ¿Pero qué es realmente? No tenemos forma de saber esto. Sabemos que el color es una propiedad de los quarks y los gluones, que hay tres tipos que los físicos han decidido llamar rojo, verde y azul. Pero al igual que nadie ha visto un quark o gluón aislado, por definición, nadie ha visto una carga de color desnudo. De hecho, la cromodinámica cuántica (QCD) afirma que si apareciera una carga tan desnuda, su energía sería casi infinita. El aforismo de Aristóteles sonaba como "la naturaleza no tolera el vacío ". Hoy podríamos decir: "la naturaleza no tolera una carga de color desnudo".

Entonces, ¿qué sucede si de alguna manera logramos crear un quark aislado con una carga de color en exhibición? Su energía excederá todos los límites, será suficiente para causar gluones virtuales desde el espacio "vacío". Así como un electrón que se mueve por sí mismo, el campo electromagnético creado de forma independiente recolecta una multitud de fotones virtuales que lo acompañan, así un quark desnudo recoge gluones virtuales que lo acompañan. Pero a diferencia de los fotones, los gluones transfieren su carga de color y pueden reducir la energía, en particular, enmascarando una carga de color abierta. Imagínese esto: el quark desnudo está muy avergonzado y rápidamente se viste con una capa de gluones.

Pero esto no es suficiente. Esta energía es lo suficientemente alta no solo para causar partículas virtuales (que se asemejan a ruido de fondo o silbido), sino también partículas elementales reales. En esta lucha por el derecho a cubrir una carga de color desnudo, aparece un antiquark, apareándose con un quark desnudo y formando un mesón. Entonces, un quark nunca, nunca jamás, se ve sin una persona acompañante.

Pero esto no es suficiente. Para cubrir completamente la carga de color, debemos colocar el antiquark exactamente en el mismo lugar y exactamente al mismo tiempo que el quark. El principio de incertidumbre de Heisenberg prohíbe a la naturaleza especificar la ubicación de un quark y un antiquark de esta manera. Recuerde que una medición precisa de la posición conduce a un impulso infinito, y una tasa exacta de cambio en la energía a lo largo del tiempo conduce a una energía infinita. La naturaleza no tiene más remedio que comprometerse. Ella no puede ocultar completamente la carga de color, pero puede disfrazarla con la ayuda de antiquark y gluones virtuales. Entonces la energía, al menos, disminuye a un nivel controlado.

Lo mismo sucede dentro de los protones y los neutrones. Dentro de las limitaciones impuestas por sus partículas anfitrionas, tres quarks son transportados con relativa libertad aquí y allá. Pero sus cargas coloreadas también deben cubrirse, o al menos es necesario reducir la energía de las cargas desnudas. Cada quark lleva a la aparición de una tormenta de gluones virtuales corriendo entre ellos, junto con los pares quark-antiquark. Los físicos a veces llaman a los tres quarks que forman un protón o neutrón quarks de " valencia ", ya que dentro de estas partículas hay suficiente energía para la aparición de un mar de pares quark-antiquark. Los quarks de valencia no son los únicos quarks dentro de estas partículas.

Esto significa que la masa de protones y neutrones puede atribuirse principalmente a la energía de los gluones y al mar de pares quark-antiquark causados ​​por un campo coloreado.

¿Cómo lo sabemos? Hay que admitir que en realidad es bastante difícil realizar cálculos con QCD. La interacción del color es extremadamente fuerte y, por lo tanto, las energías de interacción correspondientes son muy altas. Recuerde que los gluones también tienen una carga de color, por lo que todo interactúa con todo lo demás. Casi cualquier cosa puede suceder, y es bastante difícil tener en cuenta todas las posibles transformaciones de partículas virtuales y elementales.

Esto significa que aunque las ecuaciones QCD pueden escribirse de manera relativamente simple, no pueden resolverse analíticamente, en papel. Además, el juego de manos matemático, tan exitosamente utilizado en la electrodinámica cuántica, ya no es aplicable, porque las energías de interacción son tan altas que no podemos aplicar la renormalización . Los físicos no tienen más remedio que resolver estas ecuaciones en una computadora.

Se logró un gran progreso con la ayuda de una versión "ligera" de QCD [QCD-lite]. Ella considera solo los gluones sin masa, los quarks superiores e inferiores, y sugiere que los quarks en sí también no tienen masa (es decir, literalmente "ligero"). Los cálculos realizados con tales aproximaciones dieron a la masa de protones solo un 10% menos que la masa medida.

Paremos por un momento y pensemos en ello. Una versión simplificada de QCD, en la que queremos decir que las partículas no tienen masas, todavía le da al 90% la masa correcta del protón. Resulta una conclusión sorprendente. La mayor parte de la masa de protones proviene de la energía de las interacciones de sus quarks y gluones constituyentes.

John Wheeler usó la frase "masa sin masa" para describir los efectos de las superposiciones de ondas gravitacionales que pueden concentrar y localizar energía para que aparezca un agujero negro. Si esto sucediera, significaría que el agujero negro, la última manifestación de la materia superdensa, no se creó a partir de la estrella colapsada, sino a partir de las fluctuaciones del espacio-tiempo. Lo que Wheeler realmente quería decir era que tal caso sería un ejemplo de creación de un agujero negro (masa) a partir de la energía gravitacional.

Pero la frase de Wheeler nos queda bien. Frank Wilcek , uno de los creadores de QCD, lo usó en relación con una discusión de los resultados de los cálculos ligeros de QCD. Si la mayor parte de la masa del protón y el neutrón proviene de la energía de las interacciones que ocurren dentro de estas partículas, entonces esto realmente resulta ser "masa sin masa", lo que significa que tenemos a mano el comportamiento atribuido a la masa, que no requiere masa como propiedad. .

¿Te suena familiar? Recuerde que en la fructífera adición de Einstein a su trabajo de 1905 sobre la teoría especial de la relatividad, la ecuación que obtuvo en realidad se parece a m = E / c ² . Y esta es una gran idea (no E = mc ² ). Y Einstein, en realidad proféticamente, escribió: "la masa corporal es una medida de su contenido energético" [Einstein, A. ¿La inercia de un cuerpo depende de su contenido energético? Annalen der Physik 18 (1905)]. Así es En su libro "La ligereza del ser" [Wilczek, F. La ligereza del ser, Basic Books, Nueva York, NY (2008)], Wilczek escribió:

Si la masa del cuerpo humano proviene principalmente de los protones y neutrones contenidos en él, entonces la respuesta se ha vuelto clara y definitiva. La inercia de este cuerpo es precisa al 95% debido a su contenido energético.

En la fisión del núcleo de uranio-235, se libera parte de la energía de los campos coloreados contenidos dentro de los protones y neutrones, con consecuencias potencialmente explosivas. En la cadena protón-protón, que incluye la síntesis de cuatro protones, la conversión de dos quarks superiores en dos quarks inferiores, formando dos neutrones en el proceso, conduce a la liberación del exceso de energía de sus campos coloreados. La masa no se convierte en energía. La energía se transfiere de un tipo de campo cuántico a otro.

¿Y qué obtenemos? Por supuesto, hemos recorrido un largo camino desde que los atomistas de la antigua Grecia discutieron la naturaleza de la materia material hace 2500 años. Pero la mayoría de las veces creíamos que la materia es una parte fundamental de nuestro universo físico. Estábamos convencidos de que la energía está contenida en la materia. Y, aunque la materia puede reducirse a componentes microscópicos, durante mucho tiempo creímos que seguirían siendo materia y que poseen una calidad tan básica como la masa.

La física moderna nos enseña algo completamente diferente, completamente contraintuitivo. Al pavimentar nuestro camino hacia el interior, colocando la materia en átomos, los átomos en partículas subatómicas, las partículas subatómicas en campos cuánticos e interacciones, perdimos completamente de vista la materia. La materia ha perdido el contacto. Ha perdido su superioridad, y la masa se ha convertido en una propiedad secundaria, el resultado de las interacciones entre campos cuánticos intangibles. Lo que consideramos masa es el comportamiento de estos campos cuánticos; no es una propiedad que les pertenece o necesariamente inherente.

A pesar de que nuestro mundo está lleno de cosas duras y pesadas, la energía de los campos cuánticos gobierna la pelota. La masa se convierte en una manifestación física de esta energía, y no al revés.

Conceptualmente, se ve impactante, pero al mismo tiempo extremadamente atractivo. La gran propiedad unificadora del Universo es la energía de los campos cuánticos, y no los átomos rígidos e impenetrables. Quizás este no sea exactamente el sueño al que los filósofos podrían aferrarse, pero aún así es un sueño.

Jim Baggot es un periodista y escritor independiente que dio una conferencia en química, luego trabajó para Shell y ahora trabaja como consultor y formador de negocios independiente. Entre sus muchos libros están: La historia científica de la creación, Higgs: la invención y el descubrimiento de la 'partícula de Dios', la historia cuántica: una historia de 40 Momentos "[Una historia cuántica: una historia en 40 momentos] y" Una guía para principiantes de la realidad].

Pasaje adaptado del libro: "Masa: en busca de comprender la materia desde los átomos griegos hasta los campos cuánticos" [Masa: la búsqueda para comprender la materia desde los átomos griegos hasta los campos cuánticos].