Ce este masa?

Particulele elementare, precum electronii, bosonii Higgs sau fotonii, sunt descrise prin masă, sarcina electrică, spin.

Masa unei particule este o proprietate importantă pe care trebuie să o înțelegem deoarece aceasta stă la baza fizicii particulelor elementare.

Puteți simți greutatea unui obiect de pe Pământ datorită masei sale. Dar ce este masa?

Credit: Flickr/Jeremy Brooks , CC BY

Ce este masa? De ce unele particule au masă și altele nu? Și mai ales: de ce au particulele masă?

Pentru a răspunde la aceste întrebări și a merge mai departe de ceea ce știa Albert Einstein despre masă, să intrăm în fizica particulelor și teoria relativității generale.

Măsurarea masei

Un profesor mi-a spus odată că cea mai bună definiție a unei proprietăți fizice este modul de măsurare al acesteia. În urma acestei definiții, să vedem cum putem măsura masa.

Când păşeşti pe un cântar, acesta îţi înregistrează greutatea pe care o ai. Acest lucru se datorează faptului că Pământul te atrage prin intermediul forței gravitaționale. Forța gravitaţională dintre tine și Pământ există pentru că atât tu cât și Pământul aveţi masă.

Dacă ați păși pe acelaşi cântar pe Lună, atunci acesta ar înregistra doar o parte din greutatea ta de pe Pământ. Mai exact, o şesime din aceasta (cea mai eficientă metoda de slăbire: pierdeţi 83% din greutatea corpului zburând pe Lună).

Greutatea ta pe Lună este mai mică deoarece masa Lunii este mai mică decât masa Pământului și forța gravitațională dintre Lună și tine este proporțională cu masa Lunii (M) și masa ta (m). Acest lucru este dat de formula F = GMm/(R^2), în care R este raza Lunii și G se numește constanta gravitațională a lui Newton.

Masa este sarcina interacțiunii gravitaționale și fără ea nu există forța gravitațională. Fizicienii se referă la această masă ca la masa gravitațională.

Când deschideți o ușă, trebuie să o împingeţi cu o forță, în caz contrar ușa nu se va deschide. Acest lucru se datorează faptului că ușa are o masă ce se manifestă ca inerție, adică se opune schimbării stării sale de mișcare.

Cea de-a doua lege a lui Newton afirmă că forța necesară pentru a schimba starea de mișcare a unui obiect este proporțională cu masa sa inerțială (F = ma). Este mai ușor să împingem, cu aceeași accelerație, o ușă uşoară în comparaţie cu una grea.

Unificarea masei

Einstein a unificat masa gravitațională și masa inerțială prin intermediul principiului de echivalență. Acesta afirmă, pur și simplu, că masa gravitațională și cea inerțială sunt echivalente.

Cu toate acestea, această declarație simplă, împreună cu ideea că ecuațiile matematice ale fizicii nu ar trebui să depindă de sistemul de referință, are implicaţii majore. Ecuațiile câmpului gravitaţional ale lui Einstein au rezultat în urma aplicării principiului de echivalență şi acestea descriu modul prin care masa curbează spaţiu-timpul.

Sensul ecuațiilor lui Einstein este simplu: masa deformează continuumul spațiu-timp şi spaţiul-timp curbat stabilește modul de deplasare a obiectelor având masă.

Teoria geometrică a gravitației, concepută de Albert Einstein, afirmă că Pământul orbitează în jurul Soarelui şi urmăreşte curbura din structura spaţiu-timp determinată de prezenţa Soarelui.

Dacă Soarele nu ar avea masă, atunci Pământul nu ar mai putea urma traiectoria din jurul acestuia şi s-ar îndepărta în linie dreaptă.

Einstein știa toate acestea și chiar mai mult de atât. El este cel care a formulat teoria relativității restrânse şi teoria relativității generalizate. El şi-a dat seama de modul prin care sunt legate între ele masa, gravitaţia și energia. Din păcate, el nu a avut șansa să afle răspunsul la întrebarea: de ce este masa o proprietate intrinsecă a corpurilor.

Fizica modernă a particulelor elementare este cea care ne-a dat răspunsul la această întrebare în anul 2012 atunci când bosonul Higgs a fost, în cele din urmă, descoperit.

Întrebarea de mai sus este importantă, deoarece, așa cum am arătat anterior, fără masă nu ar exista gravitaţie. Sau ar exista? Ei bine, gravitația există și în lipsa masei.

Să considerăm, de exemplu, un foton. Acesta nu are masă. Pe baza a ceea ce cunoaștem în prezent, o lege fundamentală din fizica particulelor, numită simetria gauge, nu permite ca o particulă purtătoare de forță, inclusiv fotonul, să aibă masă.

Cu toate acestea, un foton este atras de Soare. Observațiile astronomice arată clar că lumina de la o galaxie foarte îndepărtată, poziționată exact în spatele Soarelui, poate fi observată de ambele părţi ale acestuia. Câmpul gravitaţional al Soarelui curbează razele de lumină şi această constatare, ce datează din anul 1919, a constituit o dovadă că teoria relativităţii generalizate este corectă.

Lumina este deviată în câmpul gravitațional în conformitate cu ecuaţia E = mc^2. Aceasta ne spune că, din punct de vedere gravitaţional, energia și masa sunt echivalente. Un foton are energie şi de aceea el este atras de Soare.

Faptul că energia are efecte gravitaţionale este important, deoarece cea mai mare parte a masei din jurul nostru este, de fapt, energie. Părțile vizibile ale galaxiilor şi stelelor sunt formate, în principal, din hidrogen, adică doar din protoni și electroni.

Pământul conține atomi diferiţi, iar aceştia sunt formaţi din nucleoni (protoni și neutroni) și electroni. Electronii sunt de 2.000 de ori mai ușori decât nucleonii, astfel încât contribuţia acestora la masa totală este mult mai mică decât a nucleonilor. Mai mult, cea mai mare parte din masa protonilor și a neutronilor este reprezentată de energia stocată în gluoni.

Gluonii menţin împreună protonii și neutronii în nucleul atomic și sunt particulele purtătoare ale forţei tari. Energia de legătură stocată în gluoni constituie cea mai mare parte din masa protonilor, neutronilor, hidrogenului și a oricărui alt atom.

Rolul bosonului Higgs

Am putea să ne oprim aici deoarece am prezentat originea celei mai mari părţi din masa vizibilă din Univers. Einstein nu știa de unde provine masa obiectelor macroscopice, deoarece abia către sfârşitul secolului 20 fizicienii au reuşit să înţeleagă originea acesteia.

Bosonul Higgs este cel răspunzător de generarea masei. Prin excitarea câmpului Higgs, bosonul Higgs conferă masă, la un nivel fundamental, particulelor elementare.

Povestea bosonului Higgs a început cu o problemă serioasă din fizica particulelor. De la sfârșitul secolului 20 era evident că simetriile gauge, menționate anterior, sunt legi fundamentale care interzic ca particulele purtătoare de forţă să aibă masă.

Cu toate acestea, în anul 1983 s-au descoperit bosonii masivi W și Z în cadrul Large Electron-Positron (LEP), predecesorul Large Hadron Collider (LHC).

Această descoperire a reprezentat o adevărată enigmă: una dintre legile fundamentale ale naturii, invarianța gauge, era încălcată. Renunţarea la invarianța gauge ar fi însemnat ca fizica particulelor să o ia de la zero.

În mod uimitor, fizicienii teoreticieni au reuşit ca prin introducerea mecanismului Higgs să păstreze simetriile gauge la un nivel fundamental şi, de asemenea, prin ruperea acestora să fie posibilă existența în universul nostru a particulelor masive W și Z.

Pentru această realizare Sheldon Glashow, Abdus Salam și Steven Weinberg au primit Premiul Nobel pentru Fizică în anul 1979. Mecanismul Higgs 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 comparație cu masa generată de gluoni. Înseamnă acest lucru că mecanismul Higgs este neglijabil la nivel atomic?

Răspunsul este nu! Fără bosonul Higgs electronii nu ar avea masă și toți atomii s-ar prăbuși. Neutronii nu s-ar mai dezintegra, astfel încât chiar și nucleele atomice ar arăta foarte diferit. Per ansamblu, Universul ar fi un loc foarte diferit, lipsit de galaxii, stele şi planete.

Materia întunecată

Putem afirma acum că știm totul despre masă? Din nefericire, nu. Doar 5% din masa universului provine din materia obișnuită a cărei masă este înțeleasă.

Aproape 70% din masa universului provine de la energia întunecată și aproximativ 25% de la materia întunecată. Nu numai că nu avem indicii despre ce fel de masă este aceasta, dar nu știm nici măcar din ce este formată materia întunecată. În consecință, putem afirma că povestea masei continuă.

Traducere după Explainer: what is mass?