Bagaimana Fisika Menurunkan Massa

Fisika modern mengajarkan kita bahwa massa bukanlah properti internal materi



Sekarang Anda sedang duduk dan membaca artikel ini. Mungkin di atas kertas, mungkin di e-book, di tablet atau di komputer. Itu tidak masalah. Apa pun alat baca yang Anda gunakan, Anda dapat yakin bahwa itu terdiri dari beberapa jenis bahan: kertas, plastik, benda elektronik kecil, papan sirkuit tercetak. Apa pun itu, kami menyebutnya materi, materi. Dia memiliki kekuatan, dia memiliki massa.

Tapi apa masalahnya? Bayangkan sebuah es batu dengan panjang 2,7 cm, bayangkan memegangnya di telapak tangan Anda. Dingin dan agak licin. Bobotnya sedikit, tetapi ia masih memiliki beberapa bobot.

Mari kita perjelas pertanyaannya. Terdiri dari apa es batu? Dan pertanyaan penting kedua: apa yang bertanggung jawab atas massanya?

Untuk memahami apa itu es batu, kita perlu beralih ke pengetahuan yang diperoleh oleh ahli kimia. Menurut tradisi panjang yang didirikan oleh para alkemis, para ilmuwan ini membedakan antara unsur-unsur kimia individu - hidrogen, karbon, oksigen. Studi tentang bobot relatif unsur-unsur tersebut dan kombinasi volume gas membuat John Dalton dan Louis Gay-Lussac menyimpulkan bahwa berbagai unsur kimia terdiri dari atom-atom dengan bobot berbeda, digabungkan sesuai dengan aturan di mana sejumlah atom berpartisipasi.



Misteri menggabungkan gas seperti hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan air diselesaikan ketika mereka menyadari bahwa hidrogen dan oksigen adalah gas diatomik, yaitu, H ₂ dan O ₂ . Dan air adalah zat senyawa yang mengandung dua atom hidrogen dan satu atom oksigen, H2O.

Ini sebagian menjawab pertanyaan pertama kami. Es batu kami terdiri dari molekul H ₂ O yang terorganisir secara berkala. Kita sudah dapat mulai menjawab pertanyaan kedua. Hukum Avogadro mendalilkan bahwa satu mol zat kimia mengandung 6 × 10 ²³ "partikel" individu. Kita bisa membayangkan satu mol zat sebagai berat molekul yang diskalakan ke kuantitas yang sebanding dengan gram. Untuk hidrogen dalam bentuk H2 _, berat molekul relatif (atau berat molekul ) adalah 2, yang berarti bahwa setiap atom memiliki berat atom relatif 1. Untuk oksigen, O2 _memiliki berat molekul 32, yang berarti bahwa setiap atom memiliki berat atom 16 Oleh karena itu, berat molekul air H ₂ O adalah 2 × 1 + 16 = 18

Ternyata es batu kami memiliki berat sekitar 18 gram, yang berarti itu adalah satu mol air. Menurut hukum Avogadro, dalam hal ini seharusnya mengandung sekitar 6 × 10 ²³ H ₂ O molekul. Hal ini tampaknya memberikan jawaban yang pasti untuk pertanyaan kedua kami. Massa es batu diperoleh dari massa atom hidrogen dan oksigen yang terkandung dalam molekul 6 × 10 ²³ H ₂ O.

Tapi kita, tentu saja, bisa melangkah lebih jauh. J.J. Thomson , Ernest Rutherford , Niels Bohr dan banyak fisikawan lainnya dari awal abad ke-20 mengajari kita bahwa semua atom terdiri dari inti pusat yang berat yang dikelilingi oleh elektron-elektron cahaya dalam orbitnya. Kemudian kami mengetahui bahwa inti pusat terdiri dari proton dan neutron. Jumlah proton dalam nukleus menentukan identitas kimia unsur: atom hidrogen memiliki satu proton, dan atom oksigen memiliki delapan (ini disebut nomor atom). Tetapi total massa atau berat inti ditentukan oleh jumlah total proton dan neutron.

Dalam hidrogen, ini masih merupakan unit (nukleusnya terdiri dari satu proton - tanpa netron). Isotop oksigen yang paling umum - tebak? - 16 (delapan proton dan delapan neutron). Jelas, bukan kebetulan bahwa proton dan neutron ini dianggap sama persis dengan massa atom yang disebutkan.

Jika kita mengabaikan elektron cahaya, maka kita akan tergoda untuk mengatakan bahwa massa es batu terkandung dalam semua proton dan neutron dalam inti atom hidrogen dan oksigennya. Setiap molekul H2O menyumbang 10 proton dan 8 neutron, oleh karena itu, jika kubus mengandung 6 × 10 ²³ molekul, dan kita dapat mengabaikan perbedaan kecil dalam massa proton dan neutron, kita dapat menyimpulkan bahwa kubus mengandung 18 kali lebih banyak partikel, yaitu. , 108 × 10 ²³ proton dan neutron.

Sejauh ini, sangat bagus. Tapi kita belum selesai. Sekarang kita tahu bahwa proton dan neutron bukanlah partikel elementer. Mereka terdiri dari quark. Proton terdiri dari dua quark atas dan quark bawah, dan neutron terdiri dari dua quark bawah dan yang atas [ pada kenyataannya, tidak begitu / kira-kira. perev. ] Dan interaksi warna yang mengikat quark bersama di dalam partikel yang lebih besar dilakukan oleh gluon tanpa massa.

Oke, jadi kita hanya perlu melanjutkan. Jika kita kembali mengambil massa quark atas dan bawah kira-kira sama, kita cukup mengalikan jumlah kita dengan tiga, dan mengubah 108 × 10 ²³ proton dan neutron menjadi 324 × 10 ²³ quark atas dan bawah. Dan kita dapat menyimpulkan bahwa di situlah seluruh massa terkandung. Hah?

Tidak. Pada tahap ini, prasangka naif kita yang terkait dengan atom runtuh. Kita dapat melihat massa quark atas dan bawah di situs web Particle Data Group [ kolaborasi fisikawan internasional yang mengumpulkan hasil yang diperoleh dalam studi partikel / kira-kira. perev. ] Kuark atas dan bawah sangat ringan sehingga massa mereka tidak dapat diukur secara akurat, sehingga hanya rentang yang diberikan di sana. Gambar-gambar berikut diberikan dalam MeV / s ² . Dalam unit-unit ini, massa kuark atas kira-kira sama dengan 2,3, dalam kisaran 1,8 hingga 3,0. Kuark bawah lebih berat, 4,8, dengan kisaran 4,5 hingga 5,3. Bandingkan massa ini dengan massa elektron dalam satuan yang sama: 0,51.

Dan sekarang berita yang mengejutkan. Dalam unit yang sama, MeV / s ² , massa proton adalah 938,3, massa neutron adalah 939,6. Tetapi kombinasi dari dua kuark atas dan bawah satu memberi kita hanya 9,4, hanya 1% dari massa proton. Kombinasi dari dua kuark bawah dan satu atas memberi kita hanya 11,9, atau 1,3% dari massa neutron. Dan 99% massa proton dan neutron menghilang di suatu tempat. Apa yang salah?

Untuk menjawab pertanyaan ini, Anda perlu memahami apa yang sedang kami hadapi. Quark bukan partikel independen dari tipe yang orang Yunani kuno atau filsuf mekanis akan bayangkan. Ini adalah partikel gelombang kuantum; getaran mendasar, atau fluktuasi medan kuantum elementer. Kuark atas dan bawah hanya beberapa kali lebih berat dari elektron, dan kami telah menunjukkan sifat gelombang partikel elektron dalam percobaan laboratorium yang tak terhitung jumlahnya. Kita perlu bersiap untuk perilaku yang aneh, jika bukan tidak wajar.

Dan jangan lupa tentang gluon tanpa massa. Dan tentang teori relativitas khusus dan E = mc ² . Atau tentang massa " telanjang " dan "berpakaian". Namun, terakhir namun tidak kalah pentingnya, kita tidak akan melupakan peran medan Higgs sebagai "sumber" massa semua partikel elementer. Untuk memahami apa yang terjadi di dalam proton atau neutron, kita perlu beralih ke kromodinamika kuantum, ke teori kuantum bidang interaksi warna quark.



Quark dan gluon memiliki " muatan warna ". Tapi apa itu sebenarnya? Kami tidak memiliki cara untuk mengetahui hal ini. Kita tahu bahwa warna adalah properti dari quark dan gluon, bahwa ada tiga jenis yang para fisikawan telah memutuskan untuk memanggil merah, hijau, dan biru. Tapi sama seperti tidak ada yang pernah melihat quark atau gluon yang terisolasi, jadi, menurut definisi, tidak ada yang pernah melihat muatan warna kosong. Faktanya, quantum chromodynamics (QCD) mengklaim bahwa jika muatan kosong seperti itu muncul, energinya akan hampir tak terbatas. Pepatah Aristoteles terdengar seperti " alam tidak menoleransi kekosongan ." Hari ini kita dapat mengatakan: "alam tidak mentolerir muatan warna telanjang."

Jadi apa yang terjadi jika kita entah bagaimana berhasil membuat kuark yang terisolasi dengan muatan warna pada layar? Energinya akan melebihi semua batas, itu akan cukup untuk menyebabkan gluon virtual dari ruang "kosong". Sama seperti sebuah elektron yang bergerak sendiri, medan elektromagnetik yang diciptakan secara independen mengumpulkan kerumunan foton virtual yang menyertainya, demikian pula kuark telanjang mengumpulkan perekatan virtual yang menyertainya. Tetapi tidak seperti foton, gluon mentransfer muatan warna mereka dan mampu mengurangi energi melalui, khususnya, menutupi muatan warna terbuka. Bayangkan ini: quark telanjang sangat malu, dan dengan cepat mengenakan jubah gluon.

Tetapi ini tidak cukup. Energi ini cukup tinggi tidak hanya menyebabkan partikel virtual (menyerupai kebisingan latar belakang atau mendesis), tetapi juga partikel elementer nyata. Dalam pertarungan ini untuk hak untuk menutupi muatan warna kosong, sebuah antiquark muncul, kawin dengan quark kosong dan membentuk meson. Jadi quark tidak pernah - tidak pernah - dilihat tanpa orang yang menemani.

Tetapi ini tidak cukup. Untuk sepenuhnya menutupi biaya warna, kita perlu menempatkan barang antik di tempat yang persis sama dan tepat pada waktu yang sama dengan kuark. Prinsip ketidakpastian Heisenberg melarang alam untuk menentukan lokasi quark dan antiquark dengan cara ini. Ingatlah bahwa pengukuran posisi yang akurat mengarah ke momentum yang tak terbatas, dan laju perubahan energi yang tepat dari waktu ke waktu mengarah ke energi yang tak terbatas. Alam tidak punya pilihan selain berkompromi. Dia tidak bisa sepenuhnya menyembunyikan muatan warna, tetapi dapat menyamarkannya dengan bantuan antiquark dan virtual gluon. Kemudian energi, setidaknya, berkurang ke tingkat yang terkendali.

Hal yang sama terjadi di dalam proton dan neutron. Dalam batasan yang diberlakukan oleh partikel inangnya, tiga quark relatif bebas dibawa ke sana-sini. Tetapi muatan berwarna mereka juga harus ditanggung, atau setidaknya perlu untuk mengurangi energi muatan kosong. Setiap quark mengarah pada munculnya badai gluon virtual di antara mereka, bersama dengan pasangan quark-antiquark. Fisikawan terkadang menyebut tiga quark yang membentuk quark " valence " proton atau neutron, karena di dalam partikel-partikel ini terdapat energi yang cukup untuk penampakan lautan pasangan quark-antiquark. Quark valensi bukan satu-satunya quark di dalam partikel ini.

Ini berarti bahwa massa proton dan neutron terutama dapat dikaitkan dengan energi gluon dan lautan pasangan quark-antiquark yang disebabkan oleh bidang berwarna.

Bagaimana kita tahu itu? Kita harus mengakui bahwa sebenarnya cukup sulit untuk melakukan perhitungan menggunakan QCD. Interaksi warna sangat kuat, dan energi interaksi yang sesuai karenanya sangat tinggi. Ingat bahwa gluon juga memiliki muatan warna, sehingga semuanya berinteraksi dengan yang lainnya. Hampir semua hal dapat terjadi, dan cukup sulit untuk memperhitungkan semua kemungkinan transformasi partikel virtual dan elementer.

Ini berarti bahwa meskipun persamaan QCD dapat ditulis relatif sederhana, mereka tidak dapat diselesaikan secara analitis, di atas kertas. Selain itu, sulap matematis tangan, yang begitu berhasil digunakan dalam kuantum elektrodinamika, tidak lagi berlaku - karena energi interaksi sangat tinggi sehingga kita tidak dapat menerapkan renormalisasi . Fisikawan tidak punya pilihan selain menyelesaikan persamaan ini di komputer.

Kemajuan besar dicapai dengan bantuan versi QCD [QCD-lite] “ringan”. Dia menganggap hanya gluon tanpa massa, quark atas dan bawah, dan menyatakan bahwa quark itu sendiri juga tidak bermassa (yaitu, secara harfiah “ringan”). Perhitungan yang dilakukan dengan perkiraan seperti itu memberi massa proton hanya 10% lebih kecil dari massa yang diukur.

Mari kita berhenti sejenak dan memikirkannya. Versi QCD yang disederhanakan, yang kami maksudkan bahwa partikel tidak memiliki massa, masih memberi 90% massa proton yang benar. Ternyata kesimpulan yang luar biasa. Sebagian besar massa proton berasal dari energi interaksi quark dan gluon penyusunnya.

John Wheeler menggunakan ungkapan "massa tanpa massa" untuk menggambarkan efek superposisi gelombang gravitasi yang dapat memusatkan dan melokalisasi energi sehingga lubang hitam muncul. Jika ini terjadi, itu berarti bahwa black hole - manifestasi akhir dari materi superdense - tidak diciptakan dari materi bintang yang runtuh, tetapi dari fluktuasi ruang-waktu. Apa yang benar-benar ingin dikatakan Wheeler adalah bahwa kasus seperti itu akan menjadi contoh menciptakan black hole (massa) dari energi gravitasi.

Tapi ungkapan Wheeler cocok untuk kita. Frank Wilcek , salah satu pencipta QCD, menggunakannya sehubungan dengan diskusi tentang hasil perhitungan QCD ringan. Jika sebagian besar massa proton dan neutron berasal dari energi interaksi yang terjadi di dalam partikel-partikel ini, maka ini benar-benar berubah menjadi "massa tanpa massa", yang berarti bahwa kita memiliki perilaku yang dikaitkan dengan massa, yang tidak memerlukan massa sebagai properti. .

Terdengar akrab? Ingatlah bahwa di dalam penambahan Einstein pada karyanya pada 1905 tentang teori relativitas khusus, persamaan yang ia peroleh sebenarnya tampak seperti m = E / c ² . Dan ini adalah ide bagus (bukan E = mc ² ). Dan Einstein, pada kenyataannya, secara profetis, menulis: “berat badan adalah ukuran kandungan energinya” [Einstein, A. Apakah inersia tubuh bergantung pada kandungan energinya? Annalen der Physik 18 (1905)]. Begitulah. Dalam bukunya "The Lightness of Being" [Wilczek, F. The Lightness of Being, Basic Books, New York, NY (2008)], Wilczek menulis:

Jika massa tubuh manusia terutama berasal dari proton dan neutron yang terkandung di dalamnya, maka jawabannya kini menjadi jelas dan final. Kelembutan tubuh ini akurat hingga 95% karena kandungan energinya.

Dalam fisi inti uranium-235, bagian dari energi bidang berwarna yang terkandung di dalam proton dan neutron dilepaskan, dengan konsekuensi yang berpotensi meledak. Dalam rantai proton-proton, yang mencakup sintesis empat proton, konversi dua quark atas menjadi dua quark lebih rendah, membentuk dua neutron dalam proses, mengarah pada pelepasan energi berlebih dari bidang berwarna mereka. Massa tidak berubah menjadi energi. Energi ditransfer dari satu jenis medan kuantum ke yang lain.

Dan apa yang kita dapat? Tentu saja, kita telah berjalan jauh sejak para atomis Yunani kuno membahas sifat materiil 2500 tahun yang lalu. Tetapi sebagian besar waktu kita memegang kepercayaan bahwa materi adalah bagian mendasar dari alam semesta fisik kita. Kami yakin bahwa energi terkandung dalam materi. Dan, meskipun materi dapat direduksi menjadi komponen mikroskopis, untuk waktu yang lama kami percaya bahwa mereka akan tetap menjadi materi, dan memiliki kualitas dasar seperti massa.

Fisika modern mengajarkan kita sesuatu yang sangat berbeda, sangat berlawanan dengan intuisi. Membuka jalan kita lebih dalam ke dalam - menata materi menjadi atom, atom menjadi partikel subatom, partikel subatomik menjadi medan kuantum dan interaksi - kita benar-benar kehilangan pandangan materi. Materi telah kehilangan sentuhan. Ia telah kehilangan keunggulannya, dan massa telah menjadi properti sekunder, hasil dari interaksi antara medan kuantum tak berwujud. Apa yang kita anggap sebagai massa adalah perilaku medan kuantum ini; itu bukan properti milik mereka atau harus inheren.

Terlepas dari kenyataan bahwa dunia kita dipenuhi dengan hal-hal yang keras dan berat, energi medan kuantum menguasai bola. Massa hanya menjadi manifestasi fisik dari energi ini, dan bukan sebaliknya.

Secara konseptual, itu terlihat mengejutkan, tetapi pada saat yang sama sangat menarik. Properti pemersatu yang hebat dari Alam Semesta adalah energi medan kuantum, dan bukan atom-atom yang kaku dan tidak bisa ditembus. Mungkin ini bukan mimpi yang bisa dipertahankan oleh para filsuf, tapi tetap saja itu adalah mimpi.

Jim Baggot adalah jurnalis lepas dan penulis yang mengajar bidang kimia, kemudian bekerja untuk Shell dan sekarang bekerja sebagai konsultan dan pelatih bisnis independen. Di antara banyak bukunya adalah: Kisah Ilmiah Penciptaan, Higgs: Penemuan dan Penemuan 'Partikel Dewa', Sejarah Kuantum: A Story of 40 Moments “[A Quantum Story: A History in 40 Moments] dan“ A Beginner's Guide to Reality].

Bagian yang diadaptasi dari buku: "Massa: Mencari pemahaman materi dari atom Yunani ke medan kuantum" [Massa: Pencarian untuk memahami materi dari atom Yunani ke medan kuantum].