Când vine vorba despre electroni, bosonii Higgs sau fotoni, ce putem spune despre aceştia? Că au spin, sarcina electrică, masă... Cam atât. Masa unei particule reprezintă o proprietate importantă, întrucât aceasta stă la baza fizicii particulelor elementare. Ce este masa, aşadar? De ce unele particule au masă şi altele nu? Şi de ce au particulele masă, la urma urmelor?
Pentru a răspunde la aceste întrebări, mergând mai departe chiar de ceea ce ştia Albert Einstein despre masă, să intrăm în universul fizicii particulelor şi al teoriei relativităţii generale.
Măsurarea masei
Când te aşezi pe un cântar, acesta îţi înregistrează greutatea. Acest lucru se întâmplă pentru că Pământul te atrage prin intermediul forţei gravitaţionale. Forţa dintre tine şi Pământ există pentru că atât tu, cât şi Pământul aveţi masă.
Dacă v-aţi aşeza pe acelaşi cântar pe Lună, atunci acesta ar înregistra doar o parte din greutatea de pe Pământ. Mai exact, a şasea parte din aceasta.
Greutatea ta pe Lună este mai mică, întrucât masa Lunii este mai mică decât masa Pământului, iar forţa gravitaţională dintre Lună şi tine este proporţională cu masa Lunii (M) şi masa ta (m). Acest lucru este dat de formula F = GMm/(R2), unde R este raza Lunii, iar G este constanta gravitaţională a lui Newton.
Masa este rezultatul interacţiunii gravitaţionale şi fără ea nu există nicio forţă gravitaţională. Fizicienii numesc această manifestare a masei - masă gravitaţională.
Când deschideţi o uşă, trebuie să o împingeţi cu o forţă, altfel uşa nu se va deschide. Acest lucru se întâmplă pentru că uşa are o masă ce se manifestă ca inerţie, adică se opune încercării tale de a-i schimba starea sa de mişcare.
Cea de-a doua lege a lui Newton afirmă că forţa necesară pentru a schimba starea de mişcare a unui obiect este proporţională cu masa sa inerţială (F = ma). Este mai uşor să împingem cu aceeaşi acceleraţie o uşă uşoară în comparaţie cu una grea.
Unificarea masei
Einstein a unificat masa gravitaţională şi masa inerţială prin intermediul principiului de echivalenţă. Acest principiu afirmă că masa gravitaţională şi cea inerţială sunt acelaşi lucru.
Această principiu împreună cu ideea că ecuaţiile matematice ale fizicii nu ar trebui să depindă de sistemul de referinţă are implicaţii importante. O consecinţă a principiului de echivalenţă este reprezentată de ecuaţiile câmpului gravitaţional ale lui Einstein. Aceste ecuaţii descriu modul prin care masa curbează spaţiu-timpul.
Înţelesul ecuaţiilor lui Einstein este simplu: masa deformează continuumul spaţiu-timp şi spaţiul-timp curb stabileşte modul de deplasare a masei.
Conform teoriei gravitaţiei a lui Einstein, Pământul orbitează în jurul Soarelui întrucât ultimul creează un "puţ" gravitaţional în formă de pâlnie în structura spaţiu-timpului, Pământul mişcându-se în acest spaţiu-timp curb.
Dacă Soarele nu ar avea masă, atunci nu ar exista "puţul gravitaţional" din jurul lui, iar Pământul s-ar deplasa în linie dreaptă prin Univers.
Einstein ştia toate acestea şi chiar mai mult de atât. La urma urmelor el este cel care a conceput teoria relativităţii restrânse şi teoria relativităţii generalizate. El şi-a dat seama de modul în care masa este conectată la gravitaţie şi energie.
Prima relaţie este surprinsă de ecuaţiile câmpului gravitaţional, iar cea de-a doua de celebra ecuaţie: E = mc2. Din păcate, Einstein nu a ştiut explicaţia privind existenţa masei.
Ce produce masa
Fizica modernă a particulelor elementare este cea care ne-a dat răspunsul cu privire la originea masei în anul 2012 atunci când bosonul Higgs a fost, în cele din urmă, descoperit.
Aşa cum am văzut mai sus, fără masă nu ar exista gravitaţie. Sau ar exista? Ei, bine, gravitaţia există şi în lipsa masei.
Iată, de exemplu, un foton. Acesta nu are masă. Una dintre legile fundamentale din fizica particulelor, numită simetria gauge, nu permite unei particule purtătoare de forţă, incluzând fotonul, să aibă masă.
Cu toate acestea, un foton este atras de Soare. Observaţiile astronomice arată clar că lumina de la o galaxie foarte îndepărtată, poziţionată exact în spatele Soarelui, poate fi observată de ambele părţi ale acestuia. Câmpul gravitaţional al Soarelui curbează razele de lumină; acest fapt, stabilit în anul 1919, a certificat faptul că teoria generală a relativităţii este corectă.
Lumina este deviată în câmpul gravitaţional în conformitate cu ecuaţia E = mc2. Aceasta ne spune că, din punct de vedere gravitaţional, energia şi masa sunt echivalente. Un foton dispune de o cantitate mică de energie şi de aceea el este atras de Soare.
Faptul că energia se supune efectelor gravitaţionale este important, deoarece cea mai mare parte a masei din jurul nostru este, de fapt, energie. Părţile vizibile ale galaxiilor şi stelelor sunt formate, în principal, din hidrogen, adică doar din protoni şi electroni.
Pământul conţine atomi diferiţi, iar aceştia sunt formaţi din nucleoni (protoni şi neutroni) şi electroni. Electronii sunt de 2.000 de ori mai uşori decât nucleonii, astfel încât contribuţia acestora la masa totală este mult mai mică decât a nucleonilor. În fapt, cea mai mare parte din masa protonilor şi a neutronilor este reprezentată de energia stocată în gluoni.
Gluonii menţin împreună protonii şi neutronii în nucleul atomic; aceştia sunt particulele purtătoare ale forţei tari. Energia de legătură stocată în gluoni constituie cea mai mare parte din masa protonilor, neutronilor, hidrogenului şi a oricărui alt atom.
Rolul bosonului Higgs
Am putea să ne oprim aici, pentru că am înţeles originea celei mai mari părţi din masa vizibilă din Univers. Einstein nu ştia de unde provine masa obiectelor macroscopice, aspect lămurit abia către sfârşitul secolului al XX-lea. Dacă l-ar fi ştiut, i-ar fi plăcut foarte mult.
Bosonul Higgs este cel responsabil cu generarea masei. Bosonul Higgs, care reprezintă o excitarea a câmpului Higgs, conferă, la un nivel fundamental, masă particulelor elementare.
Povestea bosonului Higgs a început cu o problemă serioasă în fizica particulelor. La sfârşitul secolului al XX-lea era evident că simetria gauge, menţionată anterior, este o lege fundamentală care interzice ca particulele purtătoare de forţă să aibă masă.
Cu toate acestea, în anul 1983 s-au descoperit bosonii W şi Z - particule-forţă masive, în cadrul Large Electron-Positron (LEP), predecesorul Large Hadron Collider (LHC).
Această descoperire a reprezentat o adevărată enigmă: una dintre legile fundamentale ale naturii, invarianţa gauge, era expusă. Renunţarea la invarianţa gauge ar fi însemnat ca fizica particulelor să o ia de la zero.
În mod uimitor, fizicienii teoreticieni au reuşit să rezolve problemele, prin introducerea mecanismului Higgs, care permitea păstrarea simetriilor gauge la un nivel fundamental şi, de asemenea, ruperea acestora în cazul particulelor W şi Z.
Pentru această realizare Sheldon Glashow, Abdus Salam şi Steven Weinberg au primit Premiul Nobel pentru fizică în anul 1979. Mecanismul Higgs, pe lângă faptul că dau masă particulelor purtătoare de forţă, conferă masă particulelor elementare şi explică de ce electronii, neutrinii sau quarcurile au masă.
Cu toate acestea, masa electronilor, quarcurilor şi a neutrinilor este neglijabilă în comparaţie cu masa gluonilor. Înseamnă acest lucru că mecanismul Higgs este neglijabil la nivel atomic?
Răspunsul este: nu! Fără bosonul Higgs electronii nu ar avea masă, iar atomii s-ar dezintegra. Neutronii, în schimb, nu ar mai suferi fenomenul de dezintegrare, astfel încât nucleele atomice ar arăta foarte diferit. Per ansamblu, Universul ar arăta complet diferit, lipsit de galaxii, stele şi planete.
Materia întunecată
Ştim totul despre masă, aşadar? Din nefericire, nu. Doar 5% din masa Universului provine din materia obişnuită (a cărei masă este înţeleasă).
Aproape 70% din masa Universului provine de la energia întunecată şi aproximativ 25% de la materia întunecată. Nu doar că nu avem nicio idee despre ce fel de masă este aceasta, dar nu ştim nici măcar din ce este formată materia întunecată. Aşadar, staţi pe frecvenţă, pentru că povestea masei continuă.
Traducere după Explainer: what is mass?
