Маса швидкості: Теорія підтверджує практику

Теорія квантової хромодинаміки отримала підтвердження: більше 95% маси речовини народжується з нічого - точніше, з енергії.

Якщо хтось забув основи, то нагадуємо: матерія складається з атомів, атоми - з ядра та електронів, атомні ядра - з нуклонів (протонів і нейтронів). Більше 99,9% маси атома - а значить, і всієї матерії взагалі - припадає на протони і нейтрони.

Крім того, відомо, що і протони, і нейтрони складаються з трьох кварків. Нейтрон включає один верхній (u) і два нижніх кварка (d), протон - навпаки: два верхніх і один нижній. Маса обох сортів кварків практично однакова, так що маса обох частинок виходить приблизно рівною.

Однак є в цій картинці одна нестиковка. Справа в тому, що якщо скласти маси трьох кварків, в сумі вони дадуть лише малу частку загальної маси частинки-нуклону. Звідки ж взагалі береться маса атомних ядер, а разом з нею - маса самих атомів, нас з вами і всього світобудови?

Вважається, що відповідь дає знаменита ейнштейновська формула взаємозвернення маси та енергії: до 95% маси нуклону з'являється з надзвичайно швидкого і високо енергетичного руху кварків і проміжних частинок, якими вони обмінюються в ході взаємодії.

Трійка кварків, що становлять нуклон, утримуються разом т. зв. сильною взаємодією. З чотирьох відомих на сьогодні фундаментальних взаємодій це дійсно найсильніше, але проявляється воно лише на дуже малих (порядку розмірів атомного ядра і менше) відстанях.

Для математичного опису сильної взаємодії є спеціальна теорія - квантова хромодинаміка. В принципі, саме рівняння квантової хромодинаміки повинні б дозволити розрахувати маси нуклонів. Однак відповідні підрахунки дуже складні.

Справа в тому, що, як і інша фундаментальна взаємодія - електромагнітна, - сильна проявляється при обміні частинок іншими частинками-посередниками. І якщо в електромагнітній взаємодії це фотони, то в сильному - глюони.

На відміну від фотонів, глюони здатні взаємодіяти один з одним, що і робить сильну взаємодію настільки сильною, що кварки взагалі не зустрічаються в природі поодинці - тільки пов'язаними парами або трійками. Всі ці моменти практично не дозволяють провести прямі розрахунки рівнянь квантової хромодинаміки і підтвердити теоретичні викладки про масу протонів і нейтронів.

Лише недавно міжнародна група вчених, очолювана угорським фізиком Золтаном Фодором (Zoltan Fodor), зуміла використовувати німецький суперкомп'ютер JUGENE і вирішити задачку, вперше підрахувавши безпосередньо маси протона, нейтрона і деяких інших адронів, що представляють собою тандеми або трійки кварків. JUGENE, здатний здійснювати 180 трлн. операцій в секунду, вважається найпотужнішим комп'ютером в Європі.

Отримані вченими результати розрахунків повністю узгоджуються з експериментально обчисленими масами частинок. «Це показує, - говорить Золтан Фодор, - що квантова хромодинаміка є вірною теорією сильної взаємодії, інтерпретації якої повністю узгоджуються з досвідченими даними».

Таким чином, підтверджено, що практично вся маса всієї матерії у Всесвіті народжується з енергії. Якщо, звичайно, говорити про звичайну матерію, а не про темну матерію і темну енергію, з яких, в основному, і складається світобудова і які досі залишаються абсолютно загадковими.

Читайте також наше введення в квантову механіку: «Квантова сутра».

За прес-релізом John von Neumann Institute for Computing