Câmpul Higgs, reprezentare grafică
Întrebarea cu privire la cum ajung pariculele elementare să aibă masă este una dintre cele mai dificile întrebări din fizica particulelor. Explicațiile de pe Internet diferă, de la autor la autor, dar acestea sunt în cea mai mare parte ori superficiale, ori greșite.
Cele superficiale doar menționează că bosonul Higgs (ceea ce este greșit) sau câmpul Higgs (ceea ce este corect) dă masă particulelor. Nu se vorbește cum anume.
Dar bosonul Higgs este o particulă cu o viață extrem de scurtă, iar când spun „extrem”, nu folosesc ticul verbal specific multora azi. Odată creat, dispare aproape instananeu. De aceea a fost atât de dificil de creat și descoperit la LHC. Este atât de rar, că, cel mai probabil, nu există niciunul în galaxia noastră în acest moment! Nu apare spontan, ci este nevoie de energie, precum cea generată de coliziunea dintre protoni de la CERN (Organizația europeană pentru cercetare nucleară), Elveția.
Și nu, bosonul Higgs nu este implicat în crearea masei particulelor elementare. Prin urmare, invocarea bosonului Higgs în mecanismul masei particulelor elementare este greșită. Dar descoperirea bosonului ne-a dat certitudinea existenței câmpului Higgs, care este implicat în mecanismul masei particulelor elementare.
Cele greșite vorbesc despre o „încetinire” a particulelor elementare de către câmpul Higgs. Câmpul Higgs ar fi un fel de substanță în care particulele elementare sunt prinse, din care acestea nu mai scapă, fiind încetinite, iar această încetinire ar corespunde mecanismului creării masei. Nu poate fi așa, din motive explicate mai jos, argumentul esențial fiind acela că intră în conflict cu relativitatea.
Sigur, în versiunea de mai sus apare excepția particulelor elementare fără masă, ca fotonul ori gluonul, care nu sunt „încetinite”, și de aceeea, spun unii fizicieni, s-ar și deplasa cu viteza luminii.
Un articol relativ recent despre mecanismul masei, atât în ce privește particulele elementare, cât și în ce privește particulele compozite, precum protonul, îl puteți citi aici: Două „mecanisme” sunt responsabile pentru masa particulelor. E de remarcat că deși mecanismul Higgs este esențial pentru masa particulelor elementare, 99% din masa din univers are la bază interacțiunea nucleară tare, care cuplează quarcurile și formează protonii și neutronii.
De ce nu e bună explicația cu încetinirea?
Explicația clasică și greșită, după cum menționam și mai sus, cu privire la mecanismul masei particulelor elementare este următoarea: particulele elementare interacționează cu câmpul Higgs, iar această interacțiune îngreunează trecerea acestora particule prin câmpul Higgs. Această îngreunare a deplasării coincide cu o încetinire a vitezei, iar, cumva, această încetinire echivalează cu masa particulei.
Marea problemă cu această explicație este că ignoră un principiu fundamental al teoriei relativității: relativitatea mișcării. În universul nostru deplasarea la viteză uniformă în aceeași direcție (deplasarea rectilinie uniformă) nu poate fi detectată. Viteza are sens doar în raport cu ceva, numit sistem de referință. Cum spuneam într-un alt articol, Terra are diverse viteze în univers, în funcție de sistemul de referință în care o plasăm.
Cu alte cuvinte, dacă câmpul Higgs ar încetini particulele elementare, atunci el ar funcționa ca defunctul eter, pentru că ar reprezenta un câmp prezent pretutindeni în univers, care stabilește viteza particulelor elementare prin opoziția pe care o exercită.
Dar asta nu se poate. Viteza este relativă. Nu există un sistem de referință fundamental în care măsurăm vitezele obiectelor, fie ele și particule elementare. Ar fi, probabil, mai simplu, dar nu așa stau lucrurile.
Dacă ar fi ca un fel de fluid, în care particulele „înoată”, atunci particulele ar avea o viteză limitată, pe care am putea-o măsura, în raport cu câmpul Higgs. Deși această explicație este simplă și atrăgătoare, este trebuie să fie greșită, pentru că, din nou, intră în contradicție cu relativitatea. Vitezele din univers au valori doar în raport cu un sistem de referință. Iar câmpul Higgs nu este un sistem de referință.
Cum spuneam și cu alte ocazii, din motive care-mi scapă, dată fiind simplitatea și vechimea acestuia, înțelegerea conceptului de relativitate a vitezei este unul dintre cele mai dificile aspecte ale fizicii, dar care, neînțeles, duce la o mulțime de dificultăți în înțelegerea fizicii moderne.
Pentru a merge mai departe cu gândirea, dacă particulele elementare ar fi încetinite de câmpul Higgs, ar fi încetinite de la ce viteză la ce viteză? De la viteza luminii la una mai mică? Și atunci fiecare tip de particulă elementară ar avea o anumită viteză? Din nou, asta intră în contradicție cu relativitatea. Particulele elementare cu masă au viteza măsurată în raport cu un sistem de referință (chiar și viteza 0, adică sunt staționare), nu o anumită viteză. Schimbi sistemul de referință, ai o altă viteză pentru particulă. Viteza nu este, așadar, asociată particulei, ci observatorului (sistemului de referință).
Și mai e un aspect de luat în considerare când analizăm metafora încetinirii particulelor elementare de câmpul Higgs: dacă este câmpul Higgs un fel de fluid în care particulele se „încurcă” și încetinesc, nu ar trebui să încetinească de tot în timp, ca urmare a opoziției „fluidului”? Este ca și cum am trage un foc de armă în apă. La început glonțul se va deplasa cu viteză, dar va încetini pe măsură ce se deplasează prin apă, pentru a se opri la un moment dat, ca urmare a opoziției apei.
Pe de altă parte, masa, în sine, nu încetinește un obiect. Un obiect, indiferent de masă, își va păstra viteza și direcția de deplasare, dacă nu intervine o forță care să modifice viteza și direcția. Este drept, dacă un corp are o masă mare, va fi nevoie de o forță mai mare pentru a-l accelera decât în cazul unui obiect cu o masă mai mică. În spațiul interstelar, va fi mai dificil să miști o bilă de oțel cu raza de 5 metri, în repaus în raport cu tine, decât să miști un pix.
Sigur, apropo de relativitatea vitezelor, avem excepția vitezei luminii în vid, c, care este aceeași indiferent de observator.
Și atunci? Cum apare masa particulelor elementare?
Încep cu mecanismul fundamental, apoi vin cu explicații suplimentare, dacă mai aveți răbdare să citiți până la capăt :)
Întâi: nu există particule elementare, în sensul de mici bile, cum sunt acestea reprezentate prin articole de popularizare.
Știu, e o surpriză, că am tot vorbit de ele până aici (și o să mai vorbesc, pentru simplitate). Dar teoria câmpurilor cuantice, care este rezultatul încercării de a uni mecanica cuantică și teoria relativității speciale a lui Einstein, a renunțat la această ipoteză.
În fapt, putem vorbi despre undicule (UNDe+partICULE), pentru că ceea ce numim particule sunt, în fapt, vibrații ale unor câmpuri cuantice. Sau cel puțin aceasta este cea mai apropiată metaforă de ceea ce cunosc fizicienii despre natura particulelor.
Un foton este o vibrație localizată (în sensul că ocupă un segment mic de spațiu) a câmpului electromagnetic. Un electron este o vibrație localizată a câmpului electronic.
Nu există particule punctiforme (fără dimensiune). Știu, în multe cărți se vorbește despre particulele elementare, cum ar fi electronul, ca și cum ar fi ficțiuni (nu ar avea dimensiune).
Ideea este că și dacă spunem „particule”, în fapt nu ne referim la ceva care seamănă cu o bilă. Un electron nu este o bilă, ci mai degrabă un fel de vibrație pe suprafața unui lac, deși această reprezentare este înșelătoare, întrucât câmpul electronic nu este asemenea suprafeței unui lac. Dacă suprafața unui lac este plană, un câmp cuantic există pretutindeni, în toate direcțiile în spațiu.
Pentru o reprezentare mai exactă, într-un limbaj un pic mai complicat, o undiculă ar fi ceva de genul unei unde staționare localizate, care are o anumită frecvență de rezonanță. Probabil ar merita un articol diferit cu privire la cum ne putem reprezenta o undiculă, folosind tot ce știm din fizica modernă. Dacă o să-l scriu, o să-l puteți citi pe site :) În orice caz, un electron nu este nici un punct, nici o sinusoidă, nici un cerc. Este, mai degrabă, o undă de amplitudine mică, dar cu frecvență mare, care se întinde în toate direcțiile.
Spunând „undiculă staționară” - ar trebui înțeles următoarele: o undă care vibrează într-o poziție fixă, fără o mișcare pe orizontală, raportat la direcția de vibrație. O particulă elementară (undiculă) este o undă cu cea mai mică frecvență posibilă.
Particulele elementare fără masă, precum fotonul sau gluonul, nu sunt unde staționare. Acestea au bizara proprietate de a avea viteza c în spațiul gol față de orice observator.
→ Citește și: Lumina - una dintre cele mai paradoxale lucruri din univers
În multe materiale video în care sunt reprezentate câmpurile cuatice și vibrațiile acestora (undiculele/ particulele elementare) se prezintă ceva asemănător cu suprafața unui lac, iar această suprafață dominată de mici vârtejuri, prezeante pretutindeni pe respectiva suprafață. Dar lucrurile ar trebui imaginate un pic diferit: imaginează-ți că ești într-o piscină, cu capul sub apă și ochii deschiși. Iar în apă din loc în loc apar mici vibrații. Acestea ar putea fi asociate cu vibrațiile câmpurilor cuantice, pentru că, în fapt, câmpurile cuantice sunt prezente pretutindeni în univers și nu există nicăieri ceva similar suprafeței unui lac. Dar această reprezentare a imersiunii într-o piscină vine cu următoarea problemă: câmpurile cuantice nu reprezintă o substanță, similară apei. Spațiul gol este gol chiar și cu ele prezente în spațiu.
Această încercare de reprezentare este, desigur, o aproximare, pornind de la limitările pe care le impun teoria relativității generale și mecanica cuantică. Ce este un electron, în realitatea sa ultimă, nu are sens să întrebăm, pentru că nu există un răspuns pe care să-l putem da vreodată.
→ Citește și: Există electronii?
Câmpurile cuantice sunt considerate mai degrabă proprietăți ale spațiului. Câmpul gravitațional este aproape sigur așa ceva. Undele gravitaționale sunt, la urma urmelor, vibrații ale structurii spațiului (mai exact, ale continuumului spațiu-temporal). Dar despre celelalte câmpuri cuantice, asociate tuturor undiculelor cunoscute, nu putem spune nimic cu certitudine. Nimeni nu a „văzut” până acum un câmp cuantic. Le stabilim existența prin undiculele identificate în natură, în cadrul experimentelor.
Ficienii au reușit să stabilească ce fac aceste câmpuri cuantice, dar nu și ce sunt ele. Și, cel mai probabil, așa va rămâne pentru totdeauna. Suntem la limitele cunoașterii. Spectaculos este că fizicienii au reușit să construiască un aparat matematic atât de precis pentru ceva atât de puțin cunoscut.
Doi: câmpul Higgs, ca orice câmp cuantic, are o anumită valoare medie în univers, care este diferită de zero.
Partea interesantă este următoarea: câmpul Higgs are o valoare diferită de zero peste tot în univers, spre deosebire de celelalte câmpuri cuantice. În apropierea unei mase mari, precum Terra sau Soarele, valorile altor câmpuri cuantice, cum ar fi câmpul electromagnetic, sunt, desigur, diferit de zero. La fel, desigur, și câmpul gravitațional.
Faptul că are o valoare diferită de zero oriunde în univers face câmpul Higgs esențial în generarea masei pentru particulele elementare.
Chestiunea fundamentală în explicația mecanismului masei particulelor elementare este următoarea: câmpul Higgs interacționează cu alte câmpuri cuantice, iar în urma acestei interacțiuni aceste alte câmpuri cuantice obțin frecvențe rezonante (adică undiculele, precum electronul) și, ca urmare, obțin energie (este echivalentul frecvenței cu care vibrează), ceea ce este echivalent cu masa de repaus.
Așadar, interacțiunea dintre câmpurile cuantice și câmpul Higgs face ca respectivele câmpuri cuantice să vibreze în moduri diferite, iar aceste frecvențe ne spun masa particulelor elementare.
Câmpul Higgs modifică frecvența undiculelor corespunzătoare diferitelor câmpuri cuantice de la valoarea zero la valori non-zero, ceea ce se traduce în masa de repaus.
Pe scurt, energia unei particule elementare este ceva ține de esența particulei și este definită de frecvența de vibrație. Un electron este un electron atâta vreme cât are o anumită frecvență, care înseamnă o anumită masă în final.
Fiecare câmp cuantic are propria frecvență rezonantă, care rezultă tocmai din interacțiunea cu câmpul Higgs. Este ceea ce diferențiază, în fapt, ceea ce numim particule elementare (deși, mai corect, cum spuneam, ar fi undicule).
Atâta vreme cât nu există nicio disipare a anergiei, o undiculă vibrează la nesfârșit cu aceeași frecvență. Vibrațiile undiculelor nu sunt similare vibrațiilor unei chitare, pentru că, în ultimul caz, energia coardelor se transferă în urma inteacțiunii cu aerul. În cazul unui pendul, de pildă, amplitudinea mișcării scade cu timpul pentru că are loc frecarea cu aerul, dar frecvența acestuia nu se schimbă (fiind astfel un bun contor pentru trecerea timpului).
Cu cât frecvența de rezonanță a unei undicule este mai mare, cu atât masa mai mare.
Dar lucrurile nu stau așa cum sunt adesea surprinze în articolele de popularizare, în sensul că o particulă elementară cu o masă mai mare, cum ar fi quarcul top, nu este, ca dimensiune, ca spațiu ocupat, mai mare decât una cu o masă mai mică. La nivelul acesta, al constituienților fundamentali, vorbim despre frecvențe, nu despre dimensiuni. Prin umare, o particulă mai grea (ori „masivă”, cum adesea este menționat) are o frecvență mai mare, nu ocupă un spațiu mai mare.
Altfel spus, masa de repaus a unei undicule este egală cu produsul dintre tăria interacțiunii dintre câmpul Higgs și câmpul undiculei, pe de-o parte, și valoarea medie a câmpului Higgs, pe de alta.
De exemplu, există o diferență colosală între modul în care interacționează câmpul quarcului top și cel al electronului cu câmpul Higgs. Interacțiunea câmpului quarcului top este de circa 340 de mii de ori mai puternică, rezultând o particulă „masivă” (quarcul top).
Ce s-ar întâmpla dacă am putea crește valoarea câmpului Higgs? Ar crește frecvența de rezonanță a particulelor elementare și, ca urmare, masa de repaus a acestora.
O undiculă, un obiect cuantic, trebuie să respecte anumite valori și nu poate avea orice energie. O undiculă, precum un foton, este o vibrație de minimă energie a câmpului electromagnetic. În laborator se pot obține fotoni indiviuali. Spectaculos este că ochiul uman poate reacționa la un singur foton, deși de regulă transmite un semnal electric spre creier după recepția mai multor fotoni.
Dacă un foton nu este o particulă, de ce s-a impus acest termen? O explicație definitivă nu există. Odată impus un concept, acesta are „obiceiul” de a nu renunța ușor la propria ființare :) Pe de altă parte, un foton are proprietăți care-l fac să pară o particulă. În plus, o undiculă are o amplitudine foarte mică, atât de mică, încât nu poate fi împărțită în două, fiind, prin urmare, o entitate care nu poate fi împărțită în două.
Un aspect important și bizar cu privire la câmpul Higgs este următorul: este în rapaus în raport cu orice observator. Orice viteză ai avea în orice sistem de referință, ești în repaus în raport cu câmpul Higgs. Este, într-adevăr, bizar, dar mai știm ceva similar: faptul că lumina are viteza c în raport cu orice observator în vid. O consecință a acestei caracteristici stranii a câmpului Higgs este că particulele au masa de repaus aceeași, indiferent de viteza pe care o au.
Dacă lucrurile ar fi diferite în ce privește câmpul Higgs, dacă obiectele nu ar fi în repaus cu acesta, ci ar avea diferite viteze, atunci nu am înțelege nimic din univers. Iar principiul relativității nu ar mai funcționa. Ar fi nevoie de o nouă fizică, de neimaginat. Sigur, oricum este imposibil de imaginat cum este universul, în detaliu, în toate privințele...
Cum a apărut ideea câmpului Higgs? A apărut în 1964 într-o serie de lucrări ale unor fizicieni, una scrisă de Peter Higgs, de unde avem și numele câmpului, alta de Robert Brout și Francois Englert, iar alta de Gerald Guralnik, C. Richard Hagen și Tom Kibble.
Probabil că explicația de mai sus a ridicat multe întrebări. Vom detalia câteva concepte folosite.
Este câmpul Higgs un fel de substanță?
Deși nu se poate da un răspuns definitiv cu privire la ce este câmpul Higgs, acesta nu este o substanță, pentru că nu are nicio densitatea sau materialitate. Cum spuneam și mai sus, câmpul Higgs este o proprietate a spațiului mai degrabă. Nici câmpul electromagnetic nu este o substanță, deși există pretutindeni în univers cu anumite valori.
Care este mediul în care există câmpul Higgs?
Undele electromagnetice, fotonii, sunt vibrații în câmpul electromagnetic. Mediul în care acestea se propagă este spațiul gol. Un fel de a privi lucrurile ar fi să afirmăm că undele gravitaționale nu au nevoie de mediu, dar spațiul este un mediu.
După aceeași logică, câmpul Higgs există în spațiul gol, împreună cu celelalte câmpuri cuantice.
Câmpul Higgs este scalar, nu vectorial. Acesta nu poate crea o forță și nu are o direcție. Fiind scalar, are abilitatea de a rămâne secret, ascuns. Un câmp vectorial, ca cel electromagnetic, va fi (și a fost) mai ușor identificat și studiat.
Deși lucrurile părea clare în ce privește natura câmpului Higgs la o lectură a unui articol ca cel de față, mulți fizicieni cred că este mult loc pentru surprize. Știm atât de puțin că se consideră că este posibil ca bosonul Higgs să fie o particulă compusă, iar, ca urmare, câmpul Higgs să fie un câmp rezultat din compunerea a două sau mai multe câmpuri.
Ce este masa?
Am tot vorbit despre masă mai sus, cu explicații minime. Să intrăm un pic de detalii. Ce este ea la nivel fundamental?
În esență masa este o proprietate a lucrurilor și se referă la rezistența la schimbare, rezistența la a-i schimba viteza și/ sau direcția unui obiect. Cum spuneam și mai sus, unui obiect cu o masă mare va fi mai dificil să-i afectăm mișcarea (să-i modificăm viteza și direcția).
În mod curios pentru cei care-și amintesc de la orele de fizică sau chimie că „masa reprezintă cantitatea de materie”, în realitate, când vorbim despre particule elementare (sau undicule), lucrurile nu stau astfel.
În legătură cu masa, folosim adesea termenul „greutate”, dar greutatea nu este tot una cu masa. În fapt, similar cu viteza, greutatea este relativă, căci depinde de gravitație.
Un obiect are greutate zero dacă nu există gravitație (ceea ce este cam imposibil în univers, dar gravitație cu valori foarte scăzute există în spațiul interstelar). Pe măsură ce un obiect se apropie de un corp cu masă mare, cum ar fi o planetă sau o stea, acesta capătă greutate.
Greutatea nu este o proprietate intrinsecă a obiectului, ci este doar rezultatul măsurării obiectului (cu ajutorul unui cântar) în contextul deplasării acestuia către centrul gravitațional al corpului cu masă mare. Atunci când te așezi pe un cântar, cântarul este un intermediar cu arcuri între tine și centrul planetei, tu fiind în deplasare către centrul Pământului, dar oprit în drumul tău de către suprafața planetei.
Masa gravitațională și masa inerțială
Fizicienii vorbesc de mai multe tipuri de masă. De exemplu, masa gravitațională determină cât de puternic este atras un obiect, cum ar fi mașina ta, de obiect cosmic masiv, precum Pământul. Masa gravitațională este relativă, în sensul că aceasta influențează continuumul spațiu-temporal din jurul său. Cu alte cuvinte, masa curbează spațiu-timpul, afectând deplasarea corpurilor prin spațiu timp.
Masa inerțială măsoară rezistența unui obiect la schimbarea stării sale de mișcare. Cu alte cuvinte, vorbim despre cât de greu este să schimbi viteza și direcția de deplasare a unui obiect.
Einstein este cel care a realizat că valorile celor tipuri de masă, inerțială și gravitațională, sunt identifice, deci cele două sunt echivalente.
Cele două tipuri de masă, deși echivalente, sunt măsurate în mod diferit (având însă rezultate identice): masa inerțială este calculată măsurând rezistența obiectului la schimbările de viteză, iar masa gravitațională este calculată măsurând forța pe care o exercită un obiect asupra unui alt obiect (ex: un cântar) într-un câmp gravitațional.
Masa inerțială mai este denumită și masa relativistă (concept folosit în teoria relativității speciale).
Deși acum știm că sunt identice, se consideră că ar fi putut fi diferite. Pe de-o parte, ești în spațiul interstelar și verifici ce forță trebuie să aplici pentru a muta un cub de oțel cu o anumită masă. Obții o valoare. Pe de altă parte, pui același cub pe un cântar și vezi greutatea (care este o forță). Obții o valoare. Compari aceste valori și observi dacă sunt diferențe. Acum știm că nu sunt.
Masa de repaus
Un alt tip de masă este masa de repaus, care indică masa unui obiect atunci când se află în repaus în raport cu un observator.
Dacă vă întrebați care este diferența dintre masa de repaus și cea inerțială, răspunsul este următorul: masa inerțială poate avea valori diferite, pentru că poate include și energia cinetică, în cazul în care obiectul se află în mișcare. De exemplu, un proton accelerat la Marele accelerator de hadroni de la CERN la viteze apropiate de viteza luminii (în raport cu un observator din camera de control) are o masă inerțială (relativistă) de mii de ori mai mare decât masa de repaus; energia cinetică face diferența.
Masa de repaus este intrinsecă particulelor elementare. Nu depinde de viteza particulei și nici de poziția în spațiu a acesteia (dacă există sau nu gravitație).
Se înțelege, masa de repaus a unei particule elementare este masa acesteia când este... staționară. Dar e o problemă 😀 Principiul incertitudinii al lui Heisenberg. Cum nu putem determina cu precizie poziția unei particule, rezultă că nu putem considera, în realitate, că o particulă poate fi în repaus absolut. Nu ne încurcă prea mult această adăugire, dar merita menționată...
Două formule care explică masa
Prima, faimoasa ecuație a lui Einstein: E=mc2, unde E este energia, m este masa, iar c este viteza luminii în vid. Einstein a intuit că obiectele obișnuite conțin energie, ceea ce, în sine, este o idee revoluționară.
A doua, mai puțin faimoasa ecuație a lui Max Planck, E=fh, unde E este energia, f este frecvența, iar h este constanta lui Planck.
Cum observați, ambele ecuații au o constantă, c în prima, h în a doua. Care e legătura între ele?
Dar înainte de a vorbi despre legătura dintre cele două formulte aș vrea să clarific un lucru: E=mc2 nu înseamnă că masa este egală cu energia sau că masa și energia sunt același lucru. Materia are energie, iar despre asta vom vorbi mai jos.
Cum am văzut că sunt mai multe tipuri de masă, este bine de clarificat că în formula lui Einstein vorbim despre masa de repaus.
Învățăm la școală că masa unui obiect este dată de cantitatea de materie din acesta. Dar chiar este așa?
Materia nu poate fi similară cu masa. Masa este o proprietate a materiei. În teorie, masa unei cantități anume de materie poate varia, de exemplu în situația în care ar avea loc o creștere a valorii câmpului Higgs, care dă masă particulelor elementare, ceea ce ar duce la o creștere a masei, fără ca și cantitatea de materie să difere. Dar nu vedem în fiecare zi schimbări ale valorilor câmpului Higgs, e drept...
Atomii sunt exemple de materie. Fotonii sunt exemple de ne-materie.
Dar ce sunt: neutrino, bosonul Higgs, antiprotonul? Materie? Altceva? Probabil nu sunt materie, dacă materia este ceea ce constituie obiectele, casnice, precum un scaun, sau cosmice, precum o planetă.
Materia întunecată este... materie? Nu știm.
Energie întunecată este... energie? Nu știm.
Dacă vorbim despre energie, un concept complex, un aspect se poate clarifica rapid: energia unui obiect este, pe de-o parte, intrinsecă, iar aceasta nu are valori diferite pentru observatori diferiți, dar este și relativă, ca în cazul în care un obiect are viteză în raport cu observatorul, având, așadar, energia intrinsecă, asociată masei, plus energia cinetică, dată de mișcarea relativă.
Energia relativă este diferită, de la observator la observator. Și, sigur, energia intrinsecă este corelată cu masa de repaus, pe când energia relativă este corelată cu masa relativistă (gravitațională).
Ecuația lui Einstein ne spune că masa de repaus a unui obiect este măsura energiei intrinseci a acestuia. Cu alte cuvinte, masa nu este cantitatea de materie, ci cantitatea de energie.
Masa de repaus este consecința energiei unui obiect. Iar energia unui obiect cuantic, a unei undicule, este dată de frecvența acesteia.
O nuanță importantă, pe care o reiau aici: o undiculă, precum electronul, este definită de o anumită frecvență de rezonanță (specifică electronului), care dă masa de repaus a electronului. Dar electronul, la diverse viteze, are diverse frecvențe. La Cern, în cadrul coliziunilor de particule, rezultă și electroni de mare energie (frecvențe mari, raportate la frecvența de rezonanță).
Din cele două formule de mai sus rezultă că fh=mc2, de unde rezultă că masa unei particule elementare = (fh)/c2. Așadar, pentru o particulă (undiculă) elementară, masa de repaus reprezintă energia acesteia, care este stabilită de frecvența de rezonanță a câmpului său.
Toate tipurile de particule elementare (precum electronul) are aceeași masă pentru că are o singură frecvență de rezonanță.
O consecință a celor spuse mai sus este că rezistența la schimbare a unui obiect (inerția) are la bază energia internă a obiectului. Masa cred că poate fi înțeleasă mai bine ca o proprietate a energiei interne a unui obiect.
Câmpuri cuantice de două feluri
Câmpurile cuantice sunt de două feluri: bosonice și fermionice. Exemple de câmpuri bosonice: câmpul cuantic gravitațional, electromagnetic sau Higgs. Câmpuri cuantice fermionice: câmpul cuantic electronic, câmpurile quarcurilor și altele.
Diferențe esențială dintre acestea este următoarea: câmpurile fermionice se supun principiului excluziunii al lui Pauli. Citește, pentru detalii, articolul despre Cum sunt distribuiți electronii în cadrul unui atom.
Câmpurile bosonice pot avea valoarea zero sau valori diferite de zero. În ultimul caz, pot avea orice valori. Câmpurile fermionice sunt diferite, în sensul că undele acestora pot avea doar amplitudini microscopice, iar valorile medii pot fi doar zero. Aceste limitări ale câmpurilor fermionice explică de doar câmpurile bosonice (de exemplu, cel gravitațional sau electromagnetic) pot fi intermediari la distanțe mari.
Aceste diferențe dintre câmpuri face, de pildă, să nu poți crea fascicule similare de fotoni și electroni. Poți crea un fascicul de lumină de mare amplitudine (laser), dar un fascicul de electroni va fi un șir de electroni, unul după altul. Electronii nu pot ocupa același spațiu (amplitudinea electronilor va fi mereu mică).
Și dacă tot vorbim despre câmpuri: câmpurile cuantice nu au masă. Nici viteză. La urma urmelor, viteză în raport cu ce?
O întrebarea de final de articol ar fi următoarea: este posibil ca toate câmpurile cuantice să aibă aceeași origine? Deși nu putem răspunde cu certitudine, am putea avansa această ipoteză, gândindu-ne că pare să existe cel puțin un element comun: limita vitezei pentru orice undiculă, deși aceste lucru nu dovește, în fapt, mare lucru...
→ Citește și: Teoria modelului standard al particulelor elementare
Articolul are la bază diverse articole de pe site-ul fizicianului Matt Stressler, care este, în opinia mea, cel mai riguros fizician în explicarea pentru public a diverse aspecte din fizica particulelor și care a publicat recent o carte dedicată explicării mecanismului Higgs, Waves in an impossible sea, pe care, de asemenea, am răsfoit-o în scrierea materialului de față (carte netradusă în limba română, cel puțin la data publicării articolului de față).
