מאמר זה נכתב על ידי Csaba Balazs מאוניברסיטת מונש. זה היה במקורבהוצאת The Conversation.
כשזה מגיע לאלקטרונים, היגסאו פוטונים, אין להם הרבה מה לעשות להם. יש להם ספין, מטען, מסה ו...זה בערך הכל. לפעמים הם נושאים רק כמות הולכת ונעלמת של חלק מהתכונות האלה. אז המסה של חלקיק היא תכונה חשובה להבנה, מכיוון שהיא יורדת לשורש הפיזיקה הבסיסית של החלקיקים.
מהי אם כן מסה, במובן של משמעותה הפיזית? מדוע לחלקיקים מסוימים יש מסה ולאחרים אין? ואולי אתה לא חושב שזה יהיה חשוב, אבל השאלה הגדולה ביותר היא: למה לחלקיקים יש מסה בכלל?
כדי לענות על השאלות הללו, ולהרחיק הרבה מעבר למה שידע אלברט איינשטיין על מסה, בואו נצלול לפיזיקה של חלקיקים.
המידה של זה
פרופסור אמר לי פעם שההגדרה הטובה ביותר של תכונה פיזיקלית היא דרך המדידה שלה. בעקבות הגדרה זו, בואו נראה כיצד אנו מודדים מסה.
כשאתה עולה על משקל, תרצה או לא, הוא רושם את המשקל שלך. הסיבה לכך היא שכדור הארץ מושך אותך עם כוח הכבידה. הכוח בינך לבין כדור הארץ קיים מכיוון שגם לך וגם לכדור הארץ יש מסה.
אם דרכת על אותו קנה מידהזה ירשום שבריר ממשקלך על פני כדור הארץ. בערך שישית, ליתר דיוק. (מעולם לא הייתה תוכנית דיאטה יעילה יותר: רדו 83 אחוז ממשקל הגוף רק על ידי טיסה לירח.)
משקל הירח שלך קטן מכיוון שמסת הירח קטנה ממסת כדור הארץ, וכוח הכבידה בין הירח לבינך הוא פרופורציונלי למסה של הירח (מ) והמסה שלך (מ). זה ניתן על ידי הנוסחהF = GMm/(R2)אֵיפֹהרהוא רדיוס הירח וגנקרא קבוע הכבידה של ניוטון.
מסה היא המטען של אינטראקציית הכבידה ובלעדיה לא קיים כוח כבידה. פיזיקאים מתייחסים לביטוי זה של מסה כמסה כבידה.
כשפותחים דלת, צריך לדחוף אותה בכוח, אחרת הדלת לא תזוז. הסיבה לכך היא שלדלת יש מסה המתבטאת באינרציה, כלומר, היא מונעת ממך לשנות את מצב התנועה שלה.
החוק השני של ניוטוןאומר שהכוח שאתה צריך כדי לשנות את מצב התנועה של עצם הוא פרופורציונלי למסה האינרציאלית שלו (F = ב). קל יותר לדחוף דלת קלה מאשר דלת כבדה באותה תאוצה.
מאוחדת המונים
איינשטיין חיבר בין מסה גרביטציונית ואינרציאלית באמצעות עקרון השקילות הגרביטציונית שלו. עקרון השקילות אומר בפשטות שמסה כבידה ומסה אינרציאלית הם אותו דבר.
האמירה הפשוטה הזו, לעומת זאת, יחד עם הרעיון המתמטי כי משוואות הפיזיקהלא צריך להיות תלויעל מסגרת הייחוס, מוביל רחוק מאוד. ההשלכות העיקריות של עקרון השקילות הן משוואות הכבידה של איינשטיין. משוואות אלו מציינות כיצד המסה מתעקמת את המרחב ומעקמת את הזמן.
המשמעות של משוואות הכבידה של איינשטיין היא פשוטה: מסה מעוותת את המרחב-זמן ומרחב-זמן מעוקל מעביר מסה מסביב. אם אי פעם ראית מטבע מסתחרר במורד באר משאלות בצורת משפך, אתה יודע על מה אני מדבר.
על פי התמונה הגיאומטרית של הכבידה של איינשטיין, כדור הארץ סובב סביב השמש מכיוון שזו האחרונה יוצרת באר כבידה בצורת משפך במרקם המרחב-זמן וכדור הארץ מסתובב בה בדיוק כפי שהמטבע מסתובב בבאר המשאלות.
אם לשמש לא הייתה מסה, באר הכבידה סביבה לא היה קיים וכדור הארץ היה עף מיד. אם לכדור הארץ לא הייתה מסה, הוא לא היה מרגיש את העקמומיות של הבאר והוא היה עף משם בקו ישר. זו תורת היחסות הכללית בקליפת אגוז בצורת משפך.
איינשטיין ידע את כל זה ועוד הרבה יותר. הרי הוא כתב את הספרים על תורת היחסות - הן על המיוחד והן הכללי. הוא הבין כיצד מסה קשורה לכוח הכבידה ולאנרגיה.
הקשר הראשון מובלע על ידי משוואות שדה הכבידה שלו, והשני הוא הידוע.E = mc2. לרוע המזל, מעולם לא הייתה לו הזדמנות ללמוד מדוע למשהו יש תכונה של מסה.
יש עוד במסה
פיזיקת החלקיקים הבסיסית המודרנית נתנה לנו את התשובה בשנת 2012 כאשרבוזון היגסהיה לבסוףהתגלה.
השאלה חשובה למדי מכיוון שכפי שראינו קודם, ללא מסה אין כוח משיכה. או שיש? ובכן, למעשה, יש.
קחו למשל פוטון. פוטון הוא תמצית חוסר המסה. לפי ההבנה הנוכחית שלנו, אחד מחוקי היסוד העמוקים ביותר של פיזיקת החלקיקים, הנקרא סימטריה מד, מונע מכל חלקיקי נושאי כוח, כולל פוטונים, לקבל אפילו את המסה הקטנה ביותר.
עם זאת, פוטון נמשך על ידי השמש. תצפיות מראות בבירור שניתן לצפות באור מגלקסיה רחוקה, רחוקה, הממוקמת בדיוק מאחורי השמש, משני צדי השמש. העובדה ששדה הכבידה של השמש מכופף את האור שימשה כדי להוכיח שתורת היחסות הכללית הייתה נכונה ב-1919.
אור מקיים אינטראקציה עם שדות כבידה בגללE = mc2. משוואה זו אומרת לנו שמנקודת המבט הכבידתית, אנרגיה ומסה שוות ערך. פוטון נושא מעט אנרגיה, ולכן הוא נמשך מעט על ידי השמש.
העובדה שהאנרגיה נמשכת חשובה, מכיוון שעיקר המסה סביבנו היא למעשה אנרגיה. ידוע שכל החלקים הגלויים של גלקסיות וכוכבים עשויים ברובם ממימן, שהוא רק פרוטונים ואלקטרונים.
כדור הארץ עשוי מאטומים רבים ושונים, אך אלה עשויים רק מנוקלונים (פרוטונים וניוטרונים) ואלקטרונים. האלקטרונים קלים פי 2,000 מנוקלונים, ולכן הם מביאים הרבה פחות לשולחן במונחים של מסה. ולמרבה הפלא, רוב מסת הפרוטונים והנייטרונים היא אנרגיה האצורה בדבק.
דבק (או גלואון, במונחים מדעיים) הוא החומר ששומר בין פרוטונים וניוטרונים. הוא נושא הכוח החזק. אנרגיה מחייבת המאוחסנת בגלואונים מהווה את רוב המסה של פרוטונים, נויטרונים, מימן וכל אטום לצורך העניין.
תפקידו של בוזון היגס
נוכל לעצור כאן, כי הבנו את מקור רוב המסה הנראית ביקום. איינשטיין לא ידע מאיפה מגיעה המסה של עצמים מקרוסקופיים, אבל פיזיקת החלקיקים גילתה זאת בסוף המאה ה-20.
עם זאת, יש עוד טוויסט אחד בסיפור. אולי המדהים ביותר. אם איינשטיין היה יודע על זה, הוא בהחלט היה אוהב את זה.
זה התפקיד של הביצירת מסה. הבוזון היגס, שהיא ההתרגשות של ה, הוא מה שמספק מסה ברמה הבסיסית: הוא מעניק מסה לחלקיקים היסודיים.
סיפור היגס התחיל בבעיה רצינית בפיזיקה של חלקיקים. עד סוף המאה ה-20 היה ברור שסימטריות מד, שהוזכרו קודם לכן, הן חוקים בסיסיים והן אוסרות כל מסה של נושאי כוח.
עם זאת, בשנת 1983, כוח עצום נושא אתבוזונים W ו-Z, התגלו על ידי האלקטרון-פוזיטרון הגדול (LEP) (הקודם של מאיץ ההדרון הגדול (LHC)).
זו הייתה חידה רצינית: אחד מחוקי הטבע היסודיים ביותר, חוסר מידתיות היה על כף המאזניים. ויתור על אינווריאציה של מד היה פירושו להתחיל מחדש את פיזיקת החלקיקים מאפס.
באופן מדהים, תיאורטיקנים חכמים מצאו דרך לאכול את העוגה שלהם וגם לאכול אותה! הם הציגו את מנגנון היגס, המאפשר לנו לשמר סימטריות של מדדים ברמה הבסיסית אך לשבור אותם כך שביקום המסוים שלנו חלקיקי W ו-Z מסיביים עדיין אפשריים.
הטריק המדהים הזה זיכה את שלדון גלשואו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברגפרס נובל לפיזיקה לשנת 1979. מלבד נושאי כוח, מנגנון היגס מעניק מסה גם לחלקיקי חומר בסיסיים, ומסביר מדוע אלקטרונים,או לקווארקים יש מסה.
התרומה של אלקטרון יסוד, קווארק אוהמסה, לעומת זאת, זניחה בהשוואה למסה שנוצרת על ידי דבק סביבנו. אז האם זה אומר שההיגס זניח ברמה האטומית?
התשובה היא לא! בלי ההיגס, לאלקטרונים לא תהיה מסה וכל האטומים יתפרקו. ניוטרונים לא היו מתכלים, כך שאפילו גרעיני אטום ייראו אחרת לגמרי. בסך הכל, היקום יהיה מקום מאוד-מאוד שונה, חסר גלקסיות, כוכבים וכוכבי לכת.
ואז הגיעו הדברים האפלים
אז עכשיו אנחנו יודעים הכל על מסה, נכון? לצערי לא. רק 5 אחוזים מהמסה ביקום כולו מגיעים מחומר רגיל (שמסתו מובנת).
כמעט 70 אחוז ממסת היקום מגיעה ממנואנרגיה אפלהוכ-25 אחוז מחומר אפל.
לא רק שאין לנו מושג איזה סוג של מסה זו, אנחנו אפילו לא יודעים ממה מורכב המגזר האפל. אז הישארו מעודכנים כי סיפור המיסה נמשך, גם לתוך המילניום.
בלאס צ'אבה, פרופסור חבר לפיזיקה,אוניברסיטת מונאש.
מאמר זה פורסם במקור ב-השיחה. קרא אתמאמר מקורי.
