Kalite nasıl ortaya çıkıyor?
Sınırları olmayan bilim
Biz bilginin taşıyıcılarıyız
Refah zamanı
Bugün göndereceğiz Bilim Basın Sağlanan yüksek kaliteli popüler bilim kitapları "Astronomiye Yeni Bir Giriş."
Bu kitap, yazarın birikmiş öğretim deneyimine dayanmaktadır. Birleştirmek Astronomideki son gelişmelerden derlenmiştir. İlk dört baskı okuyucular tarafından tanındı. Beşinci baskı, yerçekimi dalgaları, baryon akustik salınımları, ilk insan kara delik fotoğrafı, Çinin 500 metrelik radyo teleskopu FAST, Çinin Wukong karanlık madde algılama uydusu ve Wisdomın sert X-ışını modülasyonunu eklemek için revize edildi. Teleskop gibi içerik.
Bu kitap, okuyucuların sistematik olarak gök cisimleri ve evren hakkında çeşitli bilgiler edinmelerine, gizemli ve uyumlu evreni bilimsel olarak anlamalarına, insanlığın yaşadığı kozmik ortamı ve insanlığın evreni keşfetmesinin bilimsel yöntemlerini, zorluklarını ve gelecekteki beklentilerini anlamalarına ve böylece ufuklarını genişletmelerine olanak tanır. , Hayatı aydınlatmanın amacı, bilimsel okuryazarlığı ve kapsamlı bilgiyi geliştirmek.
Dikkatlice okuduğunuz sürece devamındaki Bu makalede, makalenin sonunda sorulan soruları düşünün ve etkileşimli olanı takip edin: yorum alanında yanıt biçiminiz mesaj bırakın , Ödül kazanma şansı var!
Yazar: Jim Baggott
Çeviri: Ağır Işık
Yorumcu: Nuor
Bu makaleyi basılı bir kitapta, tablette veya e-kitapta okuyabilirsiniz. Ama önemli değil. Bunu ne okursanız okuyun, bunun bir şeyden yapıldığını düşünmek için nedenlerimiz var: kağıt, kart, plastik veya baskılı devre kartlarında bulunan küçük metal elektronik nesneler. Her ne ise biz ona madde diyoruz. Sağlamlık dediğimiz şeye sahip ve kalitesi var.
Ama madde tam olarak nedir? Her iki tarafında yaklaşık 1 inç (veya 2,7 cm) olan bir buz küpü düşünün. Bu buz küpünü avucunuzun içinde tuttuğunuzu hayal edin. Buz küpü soğuk ve biraz kaygandır, ağırlığı olduğunu bilmemize rağmen neredeyse ağırlıksızdır.
Sorunu düzeltelim: Bu buz neyden yapılmıştır? Ek olarak, ikinci bir sorun var: Kalitenin sebebi nedir?
Buz küplerinin nelerden yapıldığını anlamak için kimyagerlerin deneyimlerinden öğrenmemiz gerekir. Simyacılar tarafından kurulan uzun geleneğe dayanarak, bu bilim adamları hidrojen, karbon ve oksijen gibi farklı kimyasal elementleri ayırt ettiler. John Dalton (John Dalton) ve Louis Gay-Lussac (Louis Gay-Lussac), bu elementlerin nispi ağırlığı ve gaz Birleştirmek Hacim çalışması, farklı kimyasal elementlerin, toplam atom sayısı ile ilgili bir dizi kurala göre gerçekleştirilen farklı ağırlıklara sahip atomlardan oluştuğu sonucuna varmıştır. Birleştirmek .
İnsanlar hidrojen ve oksijenin hem diatomik gazlar H2 hem de O2 olduğunu anladıklarında, hidrojen ve oksijenin su üretmek için karıştırılmasının gizemi çözüldü. O halde su, iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu olan H2O'dan oluşan bir bileşiktir.
Bu bölüm ilk sorumuzu cevaplıyor. Buz küpleri, düzenli olarak düzenlenmiş H2O moleküllerinden oluşur. İkinci soruya da başlayabiliriz. Avogadro yasası, 1 mol kimyasal maddenin yaklaşık 6 × 1023 ayrı parçacık içerdiğini belirtir. Şimdi, 1 mol maddeyi basitçe açıklayabiliriz, çünkü molekül ağırlığı gram olarak artar. Hidrojenin bağıl moleküler ağırlığı (H2 biçiminde) 2'dir, bu da her hidrojen atomunun bağıl atom ağırlığının 1 olduğu anlamına gelir. Oksijenin (O2) nispi moleküler ağırlığı 32'dir, bu da her oksijen atomunun 16 nispi atom ağırlığına sahip olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, suyun (H2O) nispi moleküler ağırlığı 2 × 1 + 16 = 18'dir.
Proton ve nötron kütlesinin yaklaşık% 99'u açıklanamaz görünüyor
Buz küpümüzün yaklaşık 18 g ağırlığında olması durumunda, aşağı yukarı 1 mol suyu temsil ettiği anlamına gelir. Avogadro yasasına göre yaklaşık 6 × 1023 H2O molekülü içerir. Bu, ikinci sorumuza net bir cevap veriyor gibi görünüyor. Buz kütlesi, 6 × 1023 H2O moleküllerinde bulunan hidrojen ve oksijen atomlarının kütlesinden gelir.
Ama elbette daha derin düşünebiliriz. 20. yüzyılın başlarında JJ Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr ve diğer fizikçilerden biliyoruz: atomun merkezi ağırdır Çekirdek, çekirdek ışık elektronlarıyla çevrilidir. Sonra çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğunu öğrendik. Çekirdekteki proton sayısı, elementin kimyasal özelliklerini belirler: bir hidrojen atomunun 1 protonu ve bir oksijen atomunun 8 protonu vardır (buna atom numarası denir). Ancak çekirdeğin toplam kütlesi, çekirdekteki proton ve nötronların toplamı tarafından belirlenir.
Hidrojenin yalnızca 1 çekirdeği vardır (çekirdek 1 protondan oluşur, nötron yoktur). En yaygın oksijen izotopu-tahmin et ne oldu? -16 nükleon (8 proton ve 8 nötron). Bu protonların ve nötronların sayısı, yukarıda bahsettiğim göreceli atom ağırlığı ile aynıdır, bu açıkça tesadüf değildir.
Işık elektronlarını görmezden gelirsek, buzun kütlesinin hidrojen ve oksijen çekirdeklerindeki tüm proton ve nötronlarda olduğu sonucunu kolayca çıkarabiliriz. Her bir H2O molekülü 10 proton ve 8 nötron katkıda bulunur.Bu nedenle, buz bloğunda 6 × 1023 molekül varsa ve protonlar ile nötronlar arasındaki ince kütle farkı göz ardı edilirse, bu buz parçasının Blok, toplamda 108 × 1023 proton ve nötron içerir.
Şimdiye kadar her şey yolunda görünüyor, ancak sorunu tam olarak çözemedik. Artık protonların ve nötronların temel parçacıklar olmadığını biliyoruz, bunlar kuarklardan oluşuyor. Bir proton iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark içerir ve bir nötron iki aşağı kuark ve bir yukarı kuark içerir. Bu daha büyük parçacıklarda kuarklar Birleştirmek Birlikte.
Proton | Kaynak: Wikipedia
Tamam, daha derine inelim. Üst ve alt kuarkların kütleleri yaklaşık olarak yine aynı ise, 108 × 1023 protonları ve nötronları 324 × 1023 üst ve alt kuarklara dönüştürmek için sadece 3 ile çarpmamız gerekir. Tüm kalitenin var olduğu yerin burası olduğu sonucuna vardık. sağ?
Çıplak kuark çok utangaçtı ve çabucak gluonlarla kaplandı
Hayır, bu bizim saf önyargılı fikrimiz. Üst ve alt kuarkların kalitesini "Parçacık Veri Grubu" web sitesinde bulabiliriz. Üst ve alt kuarklar çok hafiftir ve kütlesi tam olarak ölçülemez, sadece aralıktan alıntı yapılabilir. Aşağıdaki tüm veriler MeV / c2'dir. Bu verilerde üst kuarkın kütlesi 2.3 ve aralığı 1.8 ~ 3.0'dır. Aşağı kuarkın kütlesi 4.8'dir ve aralığı 4.5 ile 5.3 arasındadır. Bunları elektronik kütle ile karşılaştırdığımızda, aynı birimde ölçülen elektronik kütle yaklaşık 0,51'dir.
Kaynak: Wikipedia
Şaşırtıcı olan, aynı MeV / c2 biriminde, proton kütlesinin 938.3 ve nötron kütlesinin 939.6 olmasıdır. İki yukarı kuark ve bir aşağı kuarkın kütlelerinin toplamı yalnızca 9,4'tür ve protonun kütlesinin yalnızca% 1'ini oluşturur. İki aşağı kuark ve bir yukarı kuarkın kütlelerinin toplamı yalnızca 11,9'dur ve nötron kütlesinin yalnızca% 1,3'ünü oluşturur. Proton ve nötron kütlesinin yaklaşık% 99'u açıklanamaz görünüyor. Burada neler oluyor?
Bu soruyu cevaplamak için neyle karşı karşıya olduğumuzu anlamalıyız. Kuark, Yunanlılar veya mekanik filozoflar tarafından hayal edilen türden bağımsız bir "parçacık" değildir. Dalga-parçacık ikiliğine sahip parçacıklardır ve temel kuantum alanı titreşiyor veya dalgalanıyor. Üst ve alt kuarklar elektronlardan yalnızca birkaç kat daha ağırdır ve elektronların dalga-parçacık ikili özelliklerini sayısız laboratuvar deneyinde kanıtladık. Bazı tuhaf ve hatta tamamen tuhaf olaylara hazırlıklı olmamız gerekir.
Kütlesiz gluonu unutma, özel görelilik teorisini unutma, E = mc2, "çıplak" kuarkın kütlesi ile renkli kuarkın kütlesi arasındaki farkı unutma. Son olarak ve eşit derecede önemli olarak, Higgs alanının tüm temel parçacıkların kütlesinin "kökenindeki" rolünü unutmamalıyız. Protonların veya nötronların içinde ne olduğunu anlamaya çalışmak için, kuarklar arasındaki güçlü etkileşimlerin kuantum alan teorisi olan kuantum kromodinamiğini (QCD) incelememiz gerekir.
Kuarklar ve gluonların "renk yükü" adı verilen bir özelliği vardır. Bu tam olarak nedir? Gerçekten anlayamıyoruz. Renk yükünün kuarkların ve gluonların bir özelliği olduğunu biliyoruz ve fizikçiler üç tür seçti ve bunları kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırdı. Bununla birlikte, hiç kimse izole bir kuark veya gluonu "görmemiş" olduğu gibi, hiç kimse çıplak renk yükünü görmemiştir. Aslında kuantum kromodinamiği (QCD), eğer renk yükü açığa çıkarılabilirse, neredeyse sınırsız enerjiye sahip olacağını gösteriyor. Aristoteles'in sloganı "Doğa boşluktan nefret eder" dir. Bugün şunu söyleyebiliriz: "Doğa saf renk yükünden nefret eder."
Türüne bakılmaksızın, hadronların toplam renk yükü sıfırdır | Kaynak: Wikipedia
Öyleyse, bir şekilde saf bir renk yükü ile çıplak kuarklar yaratabilseydik ne olurdu? Enerjisi, sanal gluonu "boş" uzaydan çekecek kadar yükselecek. Tıpkı bir elektronun elektromanyetik alanını sanal fotonları toplamak için hareket ettirmesi gibi, çıplak kuarklar da sanal gluonlar toplar. Fotonların aksine, gluonlar renk yükleri taşır ve net renk yükünün bir kısmını dengeleyerek kuarkların enerjisini azaltabilirler. Şöyle düşünün: Çıplak kuark çok utangaçtı ve çabucak gluonlarla kaplandı.
Ancak bu yeterli değil. Enerji, yalnızca sanal parçacıkları (arka plan gürültüsü gibi) değil, aynı zamanda temel parçacıkları da üretecek kadar yüksektir. Net renk yüküne karşı koymada, mezonlar oluşturmak için çıplak kuarklarla çiftleşen antikuarklar üretilir. Eşleştirme olmadan kuarkları asla göremezsiniz.
Ancak bu yine de sorunu çözmedi. Renk yükünü tamamen dengelemek için antikuark ve kuark aynı anda ve yerde aynı anda görünmelidir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, doğanın kuarkları ve antikuarkları bu şekilde sınırlamasına izin vermez. Unutmayın, kesin konum sınırsız momentum anlamına gelir ve zaman içindeki kesin enerji değişim oranı sınırsız enerji anlamına gelir. Doğanın taviz vermekten başka seçeneği yoktur. Renk yükünü tamamen dengeleyemez, ancak antikuarklar ve sanal gluonlarla kaplanabilir ve enerji en azından kontrol edilebilir bir seviyeye indirilebilir.
Parçacıkların iç dünyasını keşfetmeye devam ederken, maddeyi doğru bir şekilde tanıyamıyoruz.
Bu tür şeyler proton ve nötronların içinde de oluyor. Sınırlar dahilinde, üç kuark nispeten özgürdür. Bununla birlikte, renk yükleri iptal edilmeli veya en azından net renk yükünün enerjisi azaltılmalıdır. Gluonlar, kuarklar ve kuarklar arasında güçlü etkileşimler iletir. Fizikçiler bazen protonları veya nötronları oluşturan üç kuarkı "değerlik" kuarkları olarak adlandırırlar çünkü bu parçacıklar daha fazla kuark-antikuark çiftleri oluşturmak için yeterli enerjiye sahiptir. Bu parçacıkların içindeki tek kuark değerlik kuarkları değildir.
Bu, proton ve nötron kütlesinin büyük ölçüde gluon enerjisine ve renk alanında üretilen kuark-antikuark çiftinin enerjisine bağlanabileceği anlamına gelir.
Nasıl bildik? Evet, QCD kullanarak hesaplamaların aslında oldukça zor olduğu kabul edilmelidir. Güçlü etkileşim Güç Çok güçlü, bu nedenle güçlü etkileşimin enerjisi çok yüksektir. Unutmayın, gluonlar renk yükleri de taşırlar, bu yüzden gluonlar sadece güçlü etkileşimler iletmekle kalmaz, aynı zamanda güçlü etkileşimlere de katılırlar. Neredeyse her şey olabilir ve tüm olası sanal parçacıkların ve temel parçacıkların değişikliklerini izlemek çok zordur.
Nötronların iç etkileşiminin şematik diyagramı. Gluon, ortasında bir renk yükü ve dışarıda ters bir renk yükü olan bir daire ile temsil edilir. | Kaynak: Wikipedia
Bu, QCD denkleminin nispeten basit bir şekilde yazılabilmesine rağmen, kağıt üzerinde analitik olarak çözülemeyeceği anlamına gelir. Benzer şekilde, QED'de başarıyla kullanılan matematiksel deyimsel teknikler artık uygulanabilir değildir çünkü etkileşimin enerjisi o kadar yüksektir ki, renormalizasyon tekniklerini uygulayamayız. Fizikçilerin denklemleri bilgisayarda çözmekten başka seçeneği yoktur.
QCD'nin "QCD-lite" adlı basitleştirilmiş versiyonu önemli ilerleme kaydetmiştir. Bu basitleştirilmiş versiyon, yalnızca gluonları ve kütlesiz üst ve alt kuarkları dikkate alır ve ayrıca kuarkların kendilerinin de kütlesiz olduğunu varsayar (bu nedenle, kelimenin tam anlamıyla "hafif"). Bu yaklaşık değerlere göre hesaplanan proton kütlesi, ölçülen değerden yalnızca% 10 daha hafiftir.
Durup QCD'nin basitleştirilmiş bir versiyonunu düşünelim, burada herhangi bir parçacığın ilk başta kütlesi olmadığını varsayalım, ancak protonların kütle tahmini% 90 doğrudur. Sonuç çok çarpıcı. Bir protonun kütlesinin çoğu, oluşturduğu kuark ve gluon arasındaki etkileşimin enerjisinden gelir.
John Wheeler, kara deliklerin ürettiği enerjiyi yoğunlaştırıp yerini belirleyebilen yerçekimi dalgalarının üst üste gelmesinin etkisini tanımlamak için "kütlesiz kütle" ifadesini kullandı. Bu gerçekleşirse, kara deliğin çökmekte olan bir yıldızdaki madde tarafından değil, zaman ve uzay dalgalanmaları tarafından üretildiği anlamına gelir. Wheeler'ın gerçekten kastettiği şey, bunun bir kara delik (kütle) oluşturmak için yerçekimini kullanma durumu olacağıydı.
Ancak Wheeler'ın sözleri burada uygun değil. QCD'nin yazarlarından biri olan Frank Wilczek, QCD-lite hesaplamalarının sonuçlarını tartışırken onları birbirine bağladı. Proton ve nötron kütlesinin çoğu, bu parçacıklar içinde meydana gelen etkileşimlerin enerjisinden geliyorsa, bu aslında "kütlesiz kütle" dir, yani kütleyi maddenin içsel özelliklerinden ziyade belirli davranışlara atfedebiliriz. .
Bu tanıdık geliyor mu? Einstein'ın 1905 tarihli özel görelilik makalesinin ufuk açıcı ekinde, elde ettiği denklemin aslında iyi bir fikir olan m = E / c2 olduğunu hatırlayın (E = mc2 değil). Einstein şöyle yazdı: "Bir nesnenin kütlesi, onun enerji içeriğinin bir ölçüsüdür." Bu doğru. Wierzek "Varlığın Hafifliği" adlı kitabında şunları yazdı:
Bir nesne bir insan vücuduysa (kütlesinin çoğu içerdiği proton ve nötronlardan geliyorsa), o zaman cevap açık ve belirleyicidir. Nesnenin eylemsizliği (doğruluğu% 95'tir) enerji içeriğidir. .
U-235 çekirdeğinin bölünmesinde, protonlarının ve nötronlarının iç renk alanındaki enerjinin bir kısmı açığa çıkar ve bu da potansiyel olarak patlayıcı sonuçlar doğurur. Dört protonun füzyonunu içeren proton-proton zincirinde, iki yukarı kuark iki aşağı kuarka dönüştürülür.İşlemde iki nötron oluşur ve renk alanının biraz fazla enerji salmasına neden olur. Kütle enerjiye dönüştürülmeyecek. Bunun yerine, enerji bir tür kuantum alandan diğerine aktarılır.
Önseziden nasıl sapmaya başladık? Antik Yunan atomcularının maddenin doğası hakkında 2500 yıl önce spekülasyon yaptıklarından beri kesinlikle çok yol kat ettik. Bununla birlikte, çoğu zaman, maddenin fiziksel evrenimizin temel bir parçası olduğuna her zaman inandık. Biz her zaman enerjiye sahip olanın madde olduğuna inandık. Dahası, madde mikroskobik bileşenlere indirgenebilse de, uzun bir süre boyunca, bunların hala madde olarak kabul edilebileceğine inanıyoruz - hala kalitenin temel özelliklerine sahipler.
Modern fizik bize farklı bir şey öğretir ve sezgiye ters düşer. Parçacıkların iç dünyasını keşfettiğimizde, madde atom, atomlar atom altı parçacıklar ve atom altı parçacıklar kuantum alanları ve kuvvetler haline gelir, maddeyi algısal olarak anlayamayız. Görünmez kuantum alanları arasındaki etkileşimin bir sonucu olarak kütle hakim konumunu kaybeder ve maddenin ikincil bir özelliği haline gelir. Kütlenin bu kuantum alanlarının davranışı olduğuna inanıyoruz. Onlara ait değildir veya onların içsel özellikleri olmalıdır.
Fiziksel dünyamız zor ve ağır şeylerle dolu olsa da, yüce şey kuantum alanın enerjisidir.
Kütle, bu enerjinin yalnızca fiziksel tezahürüdür, tersi değil.
Kavramsal olarak bu şok edici, ama aynı zamanda son derece çekici. Evrenin en büyük birleştirici özelliği, sert, geçilmez atomlar değil, kuantum alanların enerjisidir. Belki bu bir fizikçinin ısrar edebileceği bir rüya değil, ama yine de bir rüya.
Einstein, A. Bir cismin eylemsizliği enerji içeriğine mi bağlıdır? Annalen der Physik 18 (1905).
Wilczek, F. Temel Kitap Olmanın Hafifliği, New York, NY (2008).
Orijinal bağlantı: http : //nautil.us/issue/54/the-unspoken/physics-has-demoted-mass
[Etkileşim sorusu: Basit ama incelikli görünen ne biliyorsun?
Lütfen kesinlikle takip edin Etkileşim: Soruların yanıtları Biçim, yorum alanındadır mesaj bırakın Etkileşime katılım, format gereksinimleri karşılamıyor, geçersiz.
* Bu aktivite sınırlıdır WeChat platform
Düzenle: aki
