Но мы отвлеклись от обсуждения что такое масса. Если продолжить экскурс в школьную физику, то нас должен заинтересовать тот факт, что все тела состоят из атомов. И атом представляет собой ядро, состоящее из протонов и нейтронов и электронов, движущихся вокруг ядра. Масса ядра составляет 99.9% массы атома. Вся масса вещества сосредоточена в ядре атома. Следовательно, для понимания что такое масса надо залезть в то, из чего состоит ядро атома. Электрон является элементарной частицей, частицей, которая не разбивается на более простые кирпичики. А как обстоят дела с протоном и нейтроном.
На линейном ускорителе в Стэнфорде ученые провели эксперимент по бомбардировке протонов электронами. Изучалась потеря импульса и энергии электрона в результате таких столкновений. Эксперимент показал наличие трех частиц внутри протона. Эти частицы были названы кварками. Начались попытки получить кварки отдельно и изучить их свойства. Для этого разгонялись два протона в ускорителе навстречу друг другу до высоких скоростей, энергий а затем их сталкивали. Никаких кварков выделить не получилось… При столкновении двух протонов с высокой энергией появилось три протона, антинейтрон и несколько пи-мезонов. Самое удивительное что масса получившихся частиц была во много раз больше массы исходных двух протонов… Результат столкновений зависел от энергии исходных протонов.
Весь получившийся в результате столкновения зоопарк частиц, невозможность получения свободного кварка потребовал создания теории. Эта теория была создана и получила название Квантовой ХромоДинамикой КХД. Конечно, это только начало пути.
Современное представление о природе нейтрона или протона заключается в том, что каждый из них состоит из трех кварков. Различают два основных вида кварка
· u кварк (от слова up) содержащий 2/3 положительного заряда
· d кварк (от слова down) содержащий 1/3 отрицательного заряда. Этот кварк тяжелее u кварка
При этом протон состоит из двух uкварков и одного d кварка суммарный заряд которых равен (2/3+2/3-1/3=+1) а нейтрон из двух d кварков и одного u кварка суммарный заряд (-1/3-1/3+2/3=0).
Чтобы удержать три кварка внутри протона или нейтрона каждый из них имеет три разновидности заряда, которые притягиваются друг другу. Это подобно электростатической силе, возникающей между положительным и отрицательным зарядом. Хотя природа этих сил различна. Эти три заряда назвали по количеству цветов красный, зеленый и синий. Все вместе они дают нейтральный белый цвет. Кварки непрерывно обмениваются цветовыми зарядами испуская и поглощая безмассовые частицы глюоны. Подобно фотонам, которыми обмениваются электроны. Но в отличие от фотона, у которого нет ни массы, ни заряда у глюона есть цветовой заряд. Испуская и поглощая глюоны кварки непрерывно меняют цвет внутри протона или нейтрона. И еще кварк это квантово механический объект, ему присущи свойства волны и частица. Вся эта мешанина взаимодействий чрезвычайно сложна.
Невозможность получения свободного кварка нашли в понятии асимптотической свободы. Сила взаимодействия между кварками возрастает с увеличением расстояния между ними. Невозможно оторвать кварк, его энергия будет увеличиваться до бесконечности. Поэтому рядом должен быть антикварк или система кварков других зарядов. Как такое возможно, что сила притяжения кварков мала на малых расстояниях между кварками, а при увеличении расстояния возрастает? Все дело в вакууме. В нашем понимании вакуум это пустота. Но это не так. Принцип неопределённости Гейзенберга гласит
Интересен вопрос о причинах стабильности ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Между протонами как между одноименно заряженными частицами действует сила Кулона, которая отталкивает их друг от друга. Должна быть сила, которая удерживает ядро и не дает ему разлететься. Обратим внимание что невозможно создать ядро из одних только протонов. Требуются нейтроны чтобы развести на расстояние протоны друг от друга и сильным взаимодействием скрепить их. Сила сильного взаимодействия больше кулоновской силы, она цементирует ядро. Но протоны и нейтроны состоят из трех кварков заряд которых нейтрализует друг друга, обладает белым цветом. Источник сильного взаимодействия кварки. Как в этом случае быть с сильным взаимодействием если заряды кварков уравновесились. Ситуация напоминает взаимосвязь молекул воды. В силу взаимного расположения атомов водорода и атома кислорода один конец молекулы воды получается заряженным положительно, другой отрицательно. Электростатическая сила между плюсом и минусом молекул связывает их. Похожая ситуация у протона и нейтрона. Разные их части обладают разными цветовыми зарядами и притягиваются между собой. Эта сила сильного взаимодействия больше силы кулоновского отталкивания.
Но мы отвлеклись от понятия массы. Итак, масса сосредоточена в ядре атома, в протонах и нейтронах, в кварках. Кварки объединены сильным взаимодействием. По мере удаления на кварк начинает действовать все большая сила притяжения, которая не дает ему стать свободным. Ему требуется все большая энергия. Для компенсации возмущения требуется антикварк или два других кварка расположенных поблизости. Но принцип неопределенности Гейзенберга не дает точного местоположения компенсирующих кварков. Чем сильнее мы зафиксируем местоположение компенсирующих кварков, тем больший разброс будет иметь их импульс, а следовательно энергия. Природа идет на компромисс между стабильностью глюонных полей кварков и их неопределенностью положения. Результатом этой стабильности будет неравенство нулю суммарной энергии взаимодействия. Известна формула для массы покоя
Источником массы в ядре является масса протона и нейтрона, энергии, которая их объединяет. В свою очередь масса протона или нейтрона заключена в массе кварков их составляющих и энергии, которая связывает кварки. Именно поэтому энергия столкновения двух протонов рождает целый зоопарк частиц.
Современная физика отказалась от ответа на вопрос почему это так. Квантовый мир не подвластен человеческому воображению. Ответом на вопрос являются уравнение описывающие явление и те следствия, которые следуют из этого уравнения. Мироздание на кончике пера.