Масса скорости: Теория подтверждает практику
Если кто-то забыл основы, то напоминаем: материя состоит из атомов, атомы — из ядра и электронов, атомные ядра — из нуклонов (протонов и нейтронов). Более 99,9% массы атома — а значит, и всей материи вообще — приходится на протоны и нейтроны.
Кроме того, известно, что и протоны, и нейтроны состоят из трех кварков. Нейтрон включает один верхний (u) и два нижних кварка (d), протон — наоборот: два верхних и один нижний. Масса обоих сортов кварков практически одинакова, так что масса обеих частиц получается приблизительно равной.
Однако есть в этой картинке одна нестыковка. Дело в том, что если сложить массы трех кварков, в сумме они дадут лишь малую долю общей массы частицы-нуклона. Откуда же вообще берется масса атомных ядер, а вместе с ней — масса самих атомов, нас с вами и всего мироздания?
Считается, что ответ дает знаменитая эйнштейновская формула взаимопревращения массы и энергии: до 95% массы нуклона появляется из чрезвычайно быстрого и высоко энергетического движения кварков и промежуточных частиц, которыми они обмениваются в ходе взаимодействия.
Тройка кварков, составляющих нуклон, удерживаются вместе т.н. сильным взаимодействием. Из четырех известных на сегодня фундаментальных взаимодействий это действительно самое сильное, но проявляется оно лишь на очень малых (порядка размеров атомного ядра и меньше) расстояниях.
Для математического описания сильного взаимодействия имеется специальная теория — квантовая хромодинамика. В принципе, именно уравнения квантовой хромодинамики должны бы позволить рассчитать массы нуклонов. Однако соответствующие подсчеты очень сложны.
Дело в том, что, как и другое фундаментальное взаимодействие — электромагнитное, — сильное проявляется при обмене частиц другими частицами-посредниками. И если в электромагнитном взаимодействии это фотоны, то в сильном — глюоны.
В отличие от фотонов, глюоны способны взаимодействовать друг с другом, что и делает сильное взаимодействие настолько сильным, что кварки вообще не встречаются в природе поодиночке — только связанными парами или тройками. Все эти моменты практически не позволяют провести прямые расчеты уравнений квантовой хромодинамики и подтвердить теоретические выкладки о массе протонов и нейтронов.
Лишь недавно международная группа ученых, возглавляемая венгерским физиком Золтаном Фодором (Zoltan Fodor), сумела использовать немецкий суперкомпьютер JUGENE и решить задачку, впервые подсчитав напрямую массы протона, нейтрона и некоторых других адронов, представляющих собой тандемы или тройки кварков. JUGENE, способный совершать 180 трлн. операций в секунду, считается самым мощным компьютером в Европе.
Полученные учеными результаты расчетов полностью согласуются с экспериментально вычисленными массами частиц. «Это показывает, — говорит Золтан Фодор, — что квантовая хромодинамика является верной теорией сильного взаимодействия, интерпретации которой полностью согласуются с опытными данными».
Таким образом, подтверждено, что практически вся масса всей материи во Вселенной рождается из энергии. Если, конечно, говорить об обычной материи, а не о темной материи и темной энергии, из которых, в основном, и состоит мироздание и которые до сих пор остаются совершенно загадочными.
Читайте также наше введение в квантовую механику: «Квантовая сутра».
По пресс-релизу John von Neumann Institute for Computing