Физики объяснили, почему 99% массы тела создают виртуальные частицы

Вставая утром на весы, мы видим цифру. Она кажется незыблемой, физически осязаемой. Это «я», мое тело, мои кости и мышцы. Но физика элементарных частиц смотрит на этот процесс иначе. Она говорит: 99% того, что ты видишь на дисплее, — это не «вещество» в привычном понимании. Это энергия, запертая в невидимом поле, и танец виртуальных частиц, которые живут меньше мгновения. Звучит как научная фантастика. Но это — факт, подтвержденный экспериментами.

Парадокс протона: недостающие 99% массы

Давайте спустимся вглубь. Наше тело состоит из клеток, клетки — из молекул, молекулы — из атомов. В центре атома — ядро из протонов и нейтронов. До середины XX века их считали неделимыми «кирпичиками». Оказалось — нет. Внутри протона сидят три кварка. И вот тут начинается магия.

Масса протона — 938 МэВ (мегаэлектронвольт, единица энергии для микромира). Масса трех его кварков (два верхних и один нижний) — всего 9,1 МэВ. Это менее 1% от общей массы! Тот же фокус с нейтроном: его кварки весят ~11 МэВ, а сам нейтрон — 939 МэВ. Откуда берется остальное? Математика просто не сходится.

Личное наблюдение автора: Недавно я спорил с приятелем-биологом. Он утверждал, что человек на 70% состоит из воды. Я парировал: «Нет, дружище, ты на 99% состоишь из энергии сильного взаимодействия, запертой в протонах». Он долго молчал. А потом спросил: «И как это влияет на мою диету?» — «Никак, — ответил я. — Но осознание того, что твоя твердость — иллюзия, стоит того».

В чем суть: энергия вместо вещества

Ответ на загадку массы дает знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc². Масса и энергия эквивалентны. Масса протона — это не сумма кирпичиков, а мера полной энергии, запертой внутри.

Эта энергия складывается из трех компонентов:

• Масса самих кварков — тот самый 1%.
• Кинетическая энергия — кварки внутри протона носятся с околосветовой скоростью. Их движение — это энергия, а значит, и масса.
• Энергия поля сильного взаимодействия — вот где собака зарыта. Кварки удерживает вместе сильнейшая сила природы (сильное взаимодействие). Её переносят частицы — глюоны. Но эти глюоны — виртуальные.

Виртуальные частицы — это не фигура речи. Это строгое понятие квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, вакуум не пуст. Он «кипит». На сверхкороткое время можно «занять» энергию у вакуума, чтобы родить частицу (глюон), которая тут же должна исчезнуть, вернув долг. Внутри протона этот процесс идет непрерывно. Поле сильного взаимодействия кишит виртуальными глюонами и виртуальными кварк-антикварковыми парами. Энергия этого «кипения» и дает 99% массы.

Почему вы не разваливаетесь на части?

Потому что сильное взаимодействие устроено хитро. В отличие от магнита, сила притяжения между кварками не ослабевает с расстоянием. Она постоянна и чудовищна — около 15 тонн в макроскопическом эквиваленте. Это явление называется конфайнмент (удержание).

Попробуйте оторвать кварк от протона. Вы тратите энергию, расстояние растет, но сила не падает. Когда вы вкладываете достаточно энергии, происходит странное: поле разрывается, и из этой энергии рождается новая пара «кварк-антикварк». Вместо одиночного кварка вы получаете две новые связанные частицы. Кварки обречены быть вместе. Именно это постоянное, колоссальное напряжение поля, этот непрерывный обмен виртуальными частицами и делает материю стабильной, твердой и... тяжелой.

Новая картина мира: поля вместо кирпичиков

Что это меняет? Всё. Мы привыкли, что есть «вещество» (стол) и есть «поле» (магнитное поле). На фундаментальном уровне этой границы нет. Современная физика описывает мир через квантовые поля. Электронное поле, кварковое поле, глюонное поле — они пронизывают всё пространство.

То, что мы называем «частицей» (электрон, кварк) — это просто устойчивое возбуждение этого поля. Как волна на поверхности океана. Виртуальные частицы — это краткие, пенящиеся всплески на этой волне. Ваше тело — не конструктор из твердых деталей. Это сложная, динамичная система, структура которой поддерживается непрерывным, невероятно быстрым обменом энергией между квантовыми полями.

Физический вакуум — это не пустота. Это поле в состоянии с минимальной энергией, которое постоянно флуктуирует. И только благодаря этой «кипящей» активности, ваш стул не проваливается сквозь пол, а вы сами не рассыпаетесь в пыль.

Резюме от автора. Когда в следующий раз встанете на весы, помните: вы измеряете не количество «материи». Вы измеряете энергию, запертую в недрах протонов и нейтронов, энергию виртуального шторма, который бушует внутри каждой клетки вашего тела. Вы — не набор костей и мяса. Вы — локализованное возмущение квантовых полей. И это, черт возьми, гораздо интереснее, чем просто «вес тела».

По материалам: iXBT