La physique moderne nous apprend que la masse n'est pas une propriété interne de la matière
Vous êtes maintenant assis et lisez cet article. Peut-être sur papier, peut-être dans un livre électronique, sur une tablette ou sur un ordinateur. Peu importe. Quel que soit l'appareil de lecture que vous utilisez, vous pouvez être sûr qu'il se compose d'une sorte de substance: papier, plastique, petits objets électroniques, cartes de circuits imprimés. Quoi que ce soit, nous l'appelons matière, matière matérielle. Il a de la force, il a de la masse.
Mais qu'importe? Imaginez un glaçon avec une côte de 2,7 cm de long, imaginez-le en le tenant dans la paume de la main. Il fait froid et un peu glissant. Il pèse peu, mais il a encore du poids.
Clarifions la question. En quoi consiste un glaçon? Et la deuxième question importante: qu'est-ce qui est responsable de sa masse?
Pour comprendre en quoi consiste un glaçon, nous devons nous tourner vers les connaissances acquises par les chimistes. Selon une longue tradition fondée par des alchimistes, ces scientifiques distinguent les éléments chimiques individuels - l'hydrogène, le carbone, l'oxygène. Des études sur les poids relatifs de ces éléments et la combinaison des volumes de gaz ont conduit
John Dalton et
Louis Gay-Lussac à conclure que divers éléments chimiques sont constitués d'atomes de poids différents, combinés selon les règles auxquelles participe un nombre entier d'atomes.
Le mystère de la combinaison de gaz tels que l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'eau a été résolu quand ils ont réalisé que l'hydrogène et l'oxygène sont des gaz diatomiques, c'est-à-dire H
2 et O
2 . Et l'eau est une substance composée contenant deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène, H
2 O.
Cela répond partiellement à notre première question. Notre glaçon est constitué de molécules H
2 O organisées périodiquement. Nous pouvons déjà commencer à répondre à la deuxième question.
La loi d'Avogadro postule qu'une taupe d'une substance chimique contient 6 × 10
23 «particules» individuelles. Nous pouvons imaginer une mole d'une substance comme un poids moléculaire à l'échelle d'une quantité comparable à un gramme. Pour l'hydrogène sous forme de H
2, le poids moléculaire relatif (ou
poids moléculaire ) est 2, ce qui signifie que chaque atome a un poids atomique relatif de 1. Pour l'oxygène, O
2 a un poids moléculaire de 32, ce qui signifie que chaque atome a un poids atomique de 16 Par conséquent, le poids moléculaire de l'eau H
2 O est 2 × 1 + 16 = 18
Il s'avère que notre glaçon pèse environ 18 grammes, ce qui signifie qu'il s'agit d'une mole d'eau. Selon la loi d'Avogadro, dans ce cas, il devrait contenir environ 6 × 10
23 molécules de H
2 O. Cela semble donner une réponse définitive à notre deuxième question. La masse d'un glaçon est obtenue à partir de la masse des atomes d'hydrogène et d'oxygène contenus dans 6 × 10
23 H
2 O molécules.
Mais nous pouvons bien sûr aller plus loin.
J.J. Thomson ,
Ernest Rutherford ,
Niels Bohr et de nombreux autres physiciens du début du XXe siècle nous ont appris que tous les atomes sont constitués d'un noyau central lourd entouré d'électrons légers sur leurs orbites. Ensuite, nous avons appris que le noyau central est constitué de protons et de neutrons. Le nombre de protons dans le noyau détermine l'identité chimique de l'élément: l'atome d'hydrogène a un proton et l'atome d'oxygène en a huit (c'est ce qu'on appelle le numéro atomique). Mais la masse ou le poids total du noyau est déterminé par le nombre total de protons et de neutrons.
Dans l'hydrogène, il s'agit toujours d'une unité (son noyau est constitué d'un proton - sans neutrons). L'isotope de l'oxygène le plus courant - devinez? - 16 (huit protons et huit neutrons). De toute évidence, ce ne sera pas une coïncidence si ces protons et neutrons sont considérés exactement comme la masse atomique mentionnée.
Si nous ignorons les électrons lumineux, nous serons tentés de dire que la masse du glaçon est contenue dans tous les protons et neutrons dans les noyaux de ses atomes d'hydrogène et d'oxygène. Chaque molécule H
2 O contribue à 10 protons et 8 neutrons, donc, si le cube contient 6 × 10
23 molécules, et nous pouvons ignorer la petite différence de masse du proton et du neutron, nous pouvons conclure que le cube contient 18 fois plus de particules, c'est-à-dire , 108 × 10
23 protons et neutrons.
Jusqu'à présent, tout va bien. Mais nous n'avons pas encore fini. Nous savons maintenant que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires. Ils sont constitués de quarks. Un proton se compose de deux quarks supérieurs et d'un quark inférieur, et un neutron se compose de deux quarks inférieurs et d'un supérieur [
en fait, pas tout à fait ainsi / env. perev. ]. Et les interactions de couleur qui lient les quarks ensemble à l'intérieur de particules plus grosses sont portées par des gluons sans masse.
D'accord, nous devons donc simplement continuer. Si nous prenons à nouveau les masses des quarks supérieurs et inférieurs approximativement égales, nous multiplions simplement notre nombre par trois et transformons 108 × 10
23 protons et neutrons en 324 × 10
23 quarks supérieurs et inférieurs. Et nous pouvons conclure que c'est là que toute la masse est contenue. Hein?
Non. À ce stade, nos préjugés naïfs associés aux atomes s'effondrent. Nous pouvons voir les masses des quarks supérieurs et inférieurs sur le site Web du Particle Data Group [une
collaboration internationale de physiciens compilant les résultats obtenus dans l'étude des particules / env. perev. ]. Les quarks supérieurs et inférieurs sont si légers que leurs masses ne peuvent pas être mesurées avec précision, donc seules les plages y sont indiquées. Les chiffres suivants sont donnés en MeV / s
2 . Dans ces unités, la masse du quark supérieur est approximativement égale à 2,3, dans la plage de 1,8 à 3,0. Le quark inférieur est plus lourd, 4,8, avec une plage de 4,5 à 5,3. Comparez ces masses avec la masse de l'électron dans les mêmes unités: 0,51.
Et maintenant des nouvelles choquantes. Dans les mêmes unités, MeV / s
2 , la masse du proton est 938,3, la masse du neutron est 939,6. Mais la combinaison des deux quarks supérieur et inférieur ne nous donne que 9,4, seulement 1% de la masse du proton. La combinaison de deux quarks inférieur et un supérieur ne nous donne que 11,9, soit 1,3% de la masse neutronique. Et 99% de la masse du proton et du neutron ont disparu quelque part. Qu'est-ce qui a mal tourné?
Pour répondre à cette question, vous devez comprendre à quoi nous avons affaire. Les quarks ne sont pas des particules indépendantes du type que les Grecs anciens ou
les philosophes mécaniques auraient imaginé. Ce sont des particules d'onde quantique; vibrations fondamentales ou fluctuations des champs quantiques élémentaires. Les quarks supérieurs et inférieurs ne sont que plusieurs fois plus lourds que l'électron, et nous avons démontré la nature d'onde de particules de l'électron dans d'innombrables expériences de laboratoire. Nous devons nous préparer à un comportement étrange, sinon artificiel.
Et n'oublions pas les gluons sans masse. Et sur la théorie spéciale de la relativité et E = mc
2 . Ou sur les masses "
nues " et "habillées". Et pourtant, enfin et surtout, nous n'oublierons pas le rôle du champ de Higgs comme «source» de la masse de toutes les particules élémentaires. Pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur d'un proton ou d'un neutron, nous devons nous tourner vers la chromodynamique quantique, vers la théorie quantique du champ d'
interaction des couleurs des quarks.
Les quarks et les gluons ont une "
charge de couleur ". Mais qu'est-ce que c'est vraiment? Nous n'avons aucun moyen de le savoir. Nous savons que la couleur est une propriété des quarks et des gluons, qu'il existe trois types que les physiciens ont décidé d'appeler rouge, vert et bleu. Mais tout comme personne n'a jamais vu un quark ou un gluon isolé, par définition, personne n'a jamais vu une charge de couleur nue. En fait,
la chromodynamique quantique (QCD) prétend que si une telle charge nue apparaissait, son énergie serait presque infinie. L'aphorisme d'Aristote sonnait comme «la
nature ne tolère pas le vide ». Aujourd'hui, nous pourrions dire: "la nature ne tolère pas une charge de couleur nue."
Alors, que se passe-t-il si nous parvenons à créer un quark isolé avec une charge de couleur sur l'écran? Son énergie dépassera toutes les limites, elle suffira à provoquer des gluons virtuels depuis l'espace "vide". Tout comme un électron se déplaçant dans son propre champ électromagnétique auto-créé recueille une foule de photons virtuels qui l'accompagnent, un quark nu recueille des gluons virtuels qui l'accompagnent. Mais contrairement aux photons, les gluons transfèrent leur charge de couleur et sont capables de réduire l'énergie en masquant notamment une charge de couleur ouverte. Imaginez ceci: le quark nu est très gêné et s'habille rapidement d'un manteau de gluons.
Mais cela ne suffit pas. Cette énergie est suffisamment élevée non seulement pour provoquer des particules virtuelles (ressemblant à du bruit de fond ou des sifflements), mais aussi de vraies particules élémentaires. Dans cette lutte pour le droit de couvrir une charge de couleur nue, un antiquark apparaît, s'accouplant avec un quark nu et formant un méson. Un quark n'est donc jamais - jamais vu - sans un accompagnateur.
Mais cela ne suffit pas. Pour couvrir entièrement la charge de couleur, nous devons placer l'antiquark exactement au même endroit et exactement en même temps que le quark.
Le principe d'incertitude de Heisenberg interdit à la nature de spécifier ainsi l'emplacement d'un quark et d'un antiquark. Rappelons qu'une mesure précise de la position conduit à un élan infini, et un taux exact de changement d'énergie au fil du temps conduit à une énergie infinie. La nature n'a d'autre choix que de faire des compromis. Elle ne peut pas masquer complètement la charge de couleur, mais peut la masquer à l'aide d'antiquark et de gluons virtuels. Ensuite, l'énergie, au moins, diminue à un niveau contrôlé.
La même chose se produit à l'intérieur des protons et des neutrons. Dans les limites imposées par leurs particules hôtes, trois quarks sont relativement librement transportés ici et là. Mais leurs charges colorées doivent également être couvertes, ou du moins il faut réduire l'énergie des charges nues. Chaque quark conduit à l'apparition d'un blizzard de gluons virtuels qui se précipitent entre eux, ainsi que des paires quark-antiquark. Les physiciens appellent parfois les trois quarks qui composent les quarks de "
valence " à protons ou neutrons, car à l'intérieur de ces particules il y a suffisamment d'énergie pour l'apparition d'une mer de paires quark-antiquark. Les quarks de Valence ne sont pas les seuls quarks à l'intérieur de ces particules.
Cela signifie que la masse de protons et de neutrons peut être principalement attribuée à l'énergie des gluons et de la mer de paires quark-antiquark provoquée par un champ coloré.
Comment le savons-nous? Il faut admettre qu'il est en fait assez difficile d'effectuer des calculs avec QCD. L'interaction des couleurs est extrêmement forte, et les énergies d'interaction correspondantes sont donc très élevées. N'oubliez pas que les gluons ont également une charge de couleur, donc tout interagit avec tout le reste. Presque tout peut arriver, et il est assez difficile de prendre en compte toutes les transformations possibles des particules virtuelles et élémentaires.
Cela signifie que bien que les équations QCD puissent être écrites relativement simplement, elles ne peuvent pas être résolues analytiquement, sur papier. De plus, le tour de passe-passe mathématique, si bien utilisé en électrodynamique quantique, n'est plus applicable - car les énergies d'interaction sont si élevées que nous ne pouvons pas appliquer la
renormalisation . Les physiciens n'ont d'autre choix que de résoudre ces équations sur un ordinateur.
De grands progrès ont été réalisés grâce à une version «légère» de QCD [QCD-lite]. Elle ne considère que les gluons sans masse, les quarks supérieurs et inférieurs, et suggère que les quarks eux-mêmes sont également sans masse (c'est-à-dire littéralement «légers»). Les calculs effectués avec de telles approximations n'ont donné à la masse de protons que 10% de moins que la masse mesurée.
Arrêtons-nous un instant et réfléchissons-y. Une version simplifiée de QCD, dans laquelle nous voulons dire que les particules n'ont pas de masses, donne toujours 90% de la masse correcte du proton. Cela s'avère une conclusion étonnante. La majeure partie de la masse de protons provient de l'énergie des interactions de ses quarks et gluons constitutifs.
John Wheeler a utilisé l'expression «masse sans masse» pour décrire les effets des superpositions d'ondes gravitationnelles qui peuvent concentrer et localiser l'énergie afin qu'un trou noir apparaisse. Si cela se produisait, cela signifierait que le trou noir - la manifestation ultime de la matière superdense - n'a pas été créé à partir de la matière d'une étoile qui s'effondre, mais à cause des fluctuations de l'espace-temps. Ce que Wheeler voulait vraiment dire, c'est qu'un tel cas serait un exemple de création d'un trou noir (masse) à partir de l'énergie gravitationnelle.
Mais la phrase de Wheeler nous convient bien.
Frank Wilcek , l'un des créateurs de QCD, l'a utilisé dans le cadre d'une discussion sur les résultats des calculs légers de QCD. Si la majeure partie de la masse du proton et du neutron provient de l'énergie des interactions qui se produisent à l'intérieur de ces particules, alors cela se révèle vraiment être une «masse sans masse», ce qui signifie que nous avons sous la main le comportement attribué à la masse, qui n'a pas besoin de la masse comme propriété .
Cela vous semble familier? Rappelons que dans l'ajout fructueux d'Einstein à ses travaux de 1905 sur la théorie spéciale de la relativité, l'équation qu'il a obtenue ressemble en fait à m = E / c
2 . Et c'est une excellente idée (pas E = mc
2 ). Et Einstein, en fait, prophétiquement, a écrit: «le poids corporel est une mesure de son contenu énergétique» [Einstein, A. L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu énergétique? Annalen der Physik 18 (1905)]. Il en est ainsi. Dans son livre «The Lightness of Being» [Wilczek, F. The Lightness of Being, Basic Books, New York, NY (2008)], Wilczek a écrit:
Si la masse du corps humain provient principalement des protons et des neutrons qu'il contient, la réponse est maintenant devenue claire et définitive. L'inertie de ce corps est précise à 95% en raison de son contenu énergétique.
Lors de la fission du noyau d'uranium 235, une partie de l'énergie des champs colorés contenus à l'intérieur des protons et des neutrons est libérée, avec des conséquences potentiellement explosives. Dans la chaîne proton-proton, qui comprend la synthèse de quatre protons, la conversion de deux quarks supérieurs en deux quarks inférieurs, formant deux neutrons dans le processus, conduit à la libération d'énergie excédentaire de leurs champs colorés. La masse ne se transforme pas en énergie. L'énergie est transférée d'un type de champ quantique à un autre.
Et qu'obtenons-nous? Bien sûr, nous avons parcouru un long chemin depuis que les atomistes de la Grèce antique ont discuté de la nature de la matière matérielle il y a 2500 ans. Mais la plupart du temps, nous croyions que la matière est une partie fondamentale de notre univers physique. Nous étions convaincus que l'énergie est contenue dans la matière. Et, bien que la matière puisse être réduite à des composants microscopiques, nous avons longtemps cru qu'ils seraient encore de la matière et posséderaient une qualité aussi fondamentale que la masse.
La physique moderne nous apprend quelque chose de complètement différent, de complètement contre-intuitif. En ouvrant notre chemin plus profondément vers l'intérieur - en déposant la matière en atomes, les atomes en particules subatomiques, les particules subatomiques en champs quantiques et les interactions - nous avons complètement perdu de vue la matière. La matière a perdu le contact. Elle a perdu sa supériorité, et la masse est devenue une propriété secondaire, le résultat des interactions entre les champs quantiques intangibles. Ce que nous considérons comme de la masse, c'est le comportement de ces champs quantiques; ce n'est pas un bien leur appartenant ou nécessairement inhérent.
Malgré le fait que notre monde est rempli de choses dures et lourdes, l'énergie des champs quantiques gouverne la balle. La masse devient juste une manifestation physique de cette énergie, et non l'inverse.
Conceptuellement, cela semble choquant, mais en même temps extrêmement attrayant. La grande propriété unificatrice de l'Univers est l'énergie des champs quantiques, et non des atomes rigides et impénétrables. Ce n'est peut-être pas exactement le rêve auquel les philosophes pourraient s'accrocher, mais c'est quand même un rêve.
Jim Baggot est un journaliste et écrivain indépendant qui a enseigné la chimie, puis travaillé pour Shell et travaille maintenant en tant que consultant et formateur indépendant. Parmi ses nombreux livres, citons: L'histoire scientifique de la création, Higgs: l'invention et la découverte de la «particule divine», l'histoire quantique: une histoire de 40 Moments «[Une histoire quantique: une histoire en 40 moments] et« Un guide du débutant pour la réalité].
Passage adapté du livre: «Masse: à la recherche de la compréhension de la matière des atomes grecs aux champs quantiques» [Masse: la quête pour comprendre la matière des atomes grecs aux champs quantiques].