Большинство людей считает, что масса всего материального мира обусловлена знаменитым бозоном Хиггса. Однако ведущий научно-популярного канала Veritasium Дерек Мюллер развенчивает этот миф, объясняя истинную природу массы на примере человеческого тела. Как выясняется, наши тела состоят не столько из овеществленной материи, сколько из чистой энергии взаимодействия фундаментальных частиц.
🌌 Масса электронов и иллюзия Хиггса 0:00
В теле человека весом около 70 кг на долю всех электронов приходится всего лишь 21 грамм. Именно эта ничтожная часть массы возникает благодаря механизму Хиггса. Дерек Мюллер объясняет, что при движении электронов сквозь пространство-время они взаимодействуют с полем Хиггса. Это поле замедляет их, не позволяя двигаться со скоростью света, и тем самым наделяет массой. Однако подавляющая часть веса человека и окружающих предметов имеет совершенно иную природу. Основной массив нашего тела сосредоточен в протонах и нейтронах, которые не являются фундаментальными частицами.
🎨 Кварки, глюоны и квантовая хромодинамика 0:40
Протоны и нейтроны состоят из более мелких компонентов — кварков. Теория, описывающая их свойства и взаимодействие через гипотетические частицы-переносчики (глюоны), называется квантовой хромодинамикой. Название происходит от греческого слова «хромо» (цвет). Разумеется, кварки намного меньше длины волны видимого света, поэтому цвета в привычном понимании у них нет. Дерек Мюллер подчёркивает, что это лишь удобная аналогия, помогающая визуализировать законы микромира. По правилам субатомной физики, любая существующая в природе стабильная частица должна быть «белой», то есть бесцветной.
Добиться этого можно двумя способами:
- Объединить три кварка разных цветов — красного, зелёного и синего, которые в сумме дают белый.
- Соединить кварк и антикварк, где один обладает цветом (например, зелёным), а второй — антицветом (маджента).
🏖️ Пляжная симуляция и природа вакуума 1:30
Для демонстрации взаимодействия частиц Дерек Мюллер использует метафору песчаного пляжа с неровностями, которые символизируют флуктуации глюонного поля в вакууме. Физический вакуум не является абсолютно пустым — это постоянно колышущееся поле. Интересно, что подавление этих флуктуаций требует колоссальной энергии. Присутствие кварков изолирует вакуум и создаёт так называемую «трубку тока» (flux tube) — область между кварком и антикварком, где колебания глюонного поля полностью затихают. Эта трубка связывает их, образуя составную частицу — мезон.
Специфика трубки тока заключается в том, что при удалении кварков друг от друга её диаметр и глубина подавления поля не изменяются. Сила притяжения между ними остаётся постоянной. Это принципиально отличается от растяжения обычной пружины или резиновой ленты. Но для разведения кварков на большее расстояние физикам приходится совершать постоянную работу, буквально закачивая в систему внешнюю энергию.
🔒 Непреодолимый конфайнмент кварков 2:46
Долгое время учёные предполагали, что трубка тока может растягиваться бесконечно, удерживая частицы в вечном заточении. На самом деле, когда в систему вливается достаточное количество энергии, происходит удивительное: из этой энергии рождается новая пара кварк-антикварк. Из-за этого феномена, называемого конфайнментом, невозможно встретить одиночный кварк в свободном состоянии. Попытка вырвать его приведет лишь к созданию новых связанных частиц.
Обычная школьная модель протона, где три кварка соединены маленькими пружинками-глюонами, полностью неверна. В реальности внутри протона образуются сложные Y-образные трубки тока. Более того, количество кварков внутри протона постоянно меняется: там регулярно рождаются и исчезают дополнительные виртуальные пары. В любой момент времени протон может состоять из 5, 7, 9 или любого другого нечётного числа кварков. Внутри него могут временно находиться даже странные и антистранные кварки, которые обычно не ассоциируются со стабильной материей. Кварки буквально расчищают вакуум, формируя зоны подавления флуктуаций, что и удерживает их вместе сильным взаимодействием.
⚡ Формула Эйнштейна в действии 4:47
Истинный ответ на вопрос о происхождении массы кроется в энергетических процессах внутри нуклонов. Собственная масса трёх основных кварков, полученная ими от поля Хиггса, составляет всего около 1% от общей массы протона. Остальные 99% возникают благодаря чистой энергии.
Переформулировав знаменитое уравнение Эйнштейна $E = mc^2$ как $m = E/c^2$, можно увидеть, что огромный объем энергии эквивалентен физической массе. Именно флуктуации глюонного поля и бешеное взаимодействие кварков с глюонами обеспечивают вес нашего тела. В качестве аналогии Дерек Мюллер напоминает об идее Эйнштейна: чашка горячего чая весит чуть больше, чем та же чашка, когда она остынет. Измерить эту разницу на макроуровне невозможно, но именно по этому принципу устроена масса человека: наши тела буквально упакованы энергией взаимодействия элементарных частиц. Физический вакуум, который кажется абсолютно пустым, на самом деле дарует массу всей окружающей нас материи.
