이 기사를 읽고 여기 앉아 있습니다. 어쩌면 태블릿 컴퓨터 또는 전자 독자의 하드 카피 또는 전자 책 일 수도 있습니다. 중요하지 않습니다. 당신이 그것을 읽고 무엇이든, 우리는 그것이 인쇄 된 회로 보드에 작은 금속 전자식 물건을 포함하는 종이, 카드, 플라스틱 등 어떤 종류의 물건으로 만들어 졌다고 확신 할 수 있습니다. 그것이 무엇이든간에, 우리는 그것을 중요하거나 물질 물질이라고 부릅니다. 그것은 우리가 견고성이라고 부르는 특징적인 속성을 가지고 있습니다. 질량이 있습니다.
그러나 정확히 무엇입니까? 길이가 1 인치 (또는 2.7 센티미터) 이상인 얼음 큐브를 상상해보십시오. 손바닥 에이 얼음 큐브를 들고 있다고 상상해보십시오. 차갑고 약간 미끄러운. 무게는 거의 없지만 무게는 무게를 알고 있습니다. .
우리의 질문을 좀 더 집중시킵니다. 이 얼음 큐브는 무엇으로 만들어 졌습니까? 그리고 중요한 이차 질문 :질량에 책임이있는 것은 무엇입니까?
얼음 큐브가 무엇인지 이해하려면 화학자들이 습득 한 학습을 이끌어야합니다. 연금술사가 설립 한 오랜 전통을 바탕 으로이 과학자들은 수소, 탄소 및 산소와 같은 다른 화학 요소를 구별했습니다. 이러한 요소의 상대적 가중치와 가스의 결합에 대한 연구는 John Dalton과 Louis Gay-Lussac의 부피가 다른 화학 요소가 원자의 정수와 관련된 일련의 규칙에 따라 결합되는 다른 가중치를 가진 원자로 구성되어 있다는 결론에 이르렀습니다.
.물을 생산하기위한 수소와 산소 가스의 조합의 신비는 수소와 산소가 모두 규조적 가스, H 2 라는 것을 깨달았을 때 해결되었다. 및 o 2 . 물은 2 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 구성된 화합물, H 2 입니다. o.
이것은 부분적으로 우리의 첫 번째 질문에 대답합니다. 우리의 얼음 큐브는 H 2 의 분자로 구성됩니다 o 일반 배열로 구성되었습니다. 우리는 또한 두 번째 질문을 시작할 수 있습니다. Avogadro의 법칙에 따르면 화학 물질의 두더지에는 약 6 × 10 이산“입자”가 포함되어 있습니다. 이제 우리는 분자량이 그램 양으로 확장 될 때 단순히 물질의 두더지를 해석 할 수 있습니다. 수소 (h 2의 형태로 )는 상대 분자량 2를 가지며, 각 수소 원자는 상대 원자 중량이 1의 상대 원자량을 갖는 것을 암시한다. )는 상대적 분자량이 32를 가지며, 이는 각 산소 원자가 상대 원자량 16. 물 (H 2 임을 암시한다. 따라서) 따라서 상대 분자량은 2 × 1 + 16 =18입니다.
우리의 얼음 큐브의 무게는 약 18 그램으로 발생합니다. 즉, 물의 두더지를 나타냅니다. Avogadro의 법칙에 따르면 약 6 × 10 분자의 H 2 가 포함되어야합니다. O. 이것은 우리의 두 번째 질문에 대한 결정적인 답을 제공하는 것으로 보입니다. 얼음 큐브의 질량은 6 × 10 분자의 H 2 에 존재하는 수소 및 산소 원자의 질량에서 유래된다. o.
그러나 물론 우리는 더 나아갈 수 있습니다. 우리는 J.J.로부터 배웠습니다. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr 및 20 세기 초 많은 다른 물리학 자들은 모든 원자가 빛, 궤도 전자로 둘러싸인 무겁고 중앙 핵으로 구성되어 있습니다. 우리는 그 후 중심 핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있음을 배웠습니다. 핵의 양성자의 수는 원소의 화학적 동일성을 결정합니다. 수소 원자는 하나의 양성자, 산소 원자는 8 개를 갖는다 (이것은 원자가라고 함). 그러나 핵의 총 질량 또는 중량은 핵의 총 양성자 및 중성자 수에 의해 결정됩니다.
수소는 여전히 하나의 단 하나뿐입니다 (핵은 중성자가 아닌 단일 양성자로 구성됨). 산소의 가장 흔한 동위 원소는 —16 (8 개의 양성자와 8 개의 중성자)을 가지고 있습니다. 이 양성자와 중성자 수가 내가 인용 한 상대 원자량과 동일하다는 것은 우연의 일치가 아닙니다.
.우리가 빛의 전자를 무시한다면, 우리는 얼음 큐브의 질량이 수소와 산소 원자의 핵의 모든 양성자와 중성자에 상주한다고 주장하고 싶다. H 2 의 각 분자 o 10 개의 양성자와 8 개의 중성자에 기여하므로 큐브에 6 × 10 분자가 있고 양성자와 중성자 사이의 질량의 작은 차이를 무시하는 경우 큐브는이 그림이 총 약 18 배나 108 × 10 양성자 및 중성자를 포함한다고 결론을 내립니다.
.지금까지 너무 좋아. 그러나 우리는 아직 끝나지 않았습니다. 우리는 이제 양성자와 중성자가 기본 입자가 아니라는 것을 알고 있습니다. 그들은 쿼크로 구성됩니다. 양성자에는 두 개의 쿼크와 다운 쿼크, 중성자 2 개의 다운 쿼크 및 위쪽 쿼크가 포함되어 있습니다. 그리고이 큰 입자 내부에 쿼크를 결합시키는 색 힘은 질량이없는 글루온에 의해 운반됩니다.
좋아, 정말 우리는 계속 가고 있습니다. 다시 한 번 우리는 상승 및 아래 쿼크의 질량을 동일하게 3을 곱하고 108 × 10 양성자와 중성자를 324 × 10 위아래 쿼크로 바꿉니다. 우리는 this 라고 결론 지었다 모든 대중이 거주하는 곳입니다. 예?
아니요. 이것은 순진한 원자 선입견이 풀리는 곳입니다. 우리는 Particle Data Group 웹 사이트에서 위아래로 쿼크의 질량을 찾을 수 있습니다. 위아래로 쿼크는 너무 가벼워서 질량을 정확하게 측정 할 수없고 범위 만 인용됩니다. 다음은 모두 MEV/ C 의 단위로보고됩니다 . 이 단위에서 UP 쿼크의 질량은 1.8에서 3.0의 범위를 가진 2.3으로 주어집니다. 다운 쿼크는 4.5에서 5.3의 범위를 가진 4.8의 약간 무겁습니다. 이를 전자의 질량과 비교하십시오. 같은 단위로 약 0.51을 측정합니다.
.이제 충격이 온다. 동일한 단위의 mev/<> c 양성자 질량은 938.3, 중성자 939.6이다. 두 개의 쿼크와 다운 쿼크의 조합은 우리에게 9.4 또는 양성자 질량의 1 %만을 제공합니다. 두 개의 다운 쿼크와 쿼크의 조합은 우리에게 11.9 또는 중성자 질량의 1.3 %에 불과합니다. 양성자와 중성자의 질량의 약 99 %가 계급되지 않은 것으로 보입니다. 무슨 일이야?
이 질문에 대답하려면 우리가 다루고있는 것을 인식해야합니다. 쿼크는 그리스인이나 기계 철학자들이 상상했을 수도있는 종류의 자체 포함 된“입자”가 아닙니다. 그것들은 양자 파동파입니다. 기본 양자 장의 기본 진동 또는 변동. 위아래로 쿼크는 전자보다 몇 배만 더 무겁고 수많은 실험실 실험에서 전자의 파동 입자 특성을 보여주었습니다. 우리는 완전히 기괴한 행동을하지 않으면 이상하게 준비해야합니다.
그리고 미사가없는 글루온을 잊지 마십시오. 또는 특수 상대성, e = mc . 또는 "베어"와 "옷을 입은"질량의 차이. 그리고 마지막으로, 모든 기본 입자의 질량의 "기원"에서 Higgs 필드의 역할을 잊지 마십시오. 양성자 또는 중성자 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하려면 Quantum Chromodynamics, 쿼크 사이의 색상의 양자 필드 이론에 도달해야합니다.
쿼크와 글루온은 색상“충전”을 가지고 있습니다. 이게 정확히 뭐야? 우리는 정말로 알고있는 방법이 없습니다. 우리는 색상이 쿼크와 글루온의 속성이며 물리학자가 빨간색, 녹색 및 파란색이라고 부르기로 선택한 세 가지 유형이 있습니다. 그러나 아무도 고립 된 쿼크 나 글루온을“본”사람이 아니 듯이, 정의상 아무도 알몸의 색 전하를 본 적이 없다. 실제로, 양자 크롬 역학 (QCD)은 색 전하가 이와 같이 노출 될 수 있다면 근접한 에너지를 가질 수 있음을 시사합니다. 아리스토텔레스의 최대 값은“자연은 진공 청소기”였습니다. 오늘날 우리는“자연은 알몸의 색을 혐오합니다.”
그렇다면 어떻게 든 육안으로 고립 된 쿼크를 만들 수 있다면 어떻게 될까요? 그것의 에너지는 지붕을 통해 올라갈 것입니다.“빈”공간에서 가상 글루온을 불러 일으킬 정도로 충분합니다. 전자가 자체 생성 된 전자기장을 통과하는 전자가 가상 광자의 덮개를 모으는 것처럼, 노출 된 쿼크는 가상 글루온의 덮개를 모색합니다. 광자와 달리 글루온 자체는 색 전하가 전하되며 부분적으로 노출 된 색상 전하를 가리면서 에너지를 줄일 수 있습니다. 이런 식으로 생각하십시오 :벌거 벗은 쿼크는 엄청나게 당황스러워서 글루온의 덮개로 빨리 옷을 입습니다.
그러나 이것은 충분하지 않습니다. 에너지는 가상 입자 (일종의 배경 소음이나 히스)뿐만 아니라 기본 입자도 생성 할 수있을 정도로 높습니다. 노출 된 컬러 전하를 덮기 위해 스크램블에서, 메손을 형성하기 위해 알몸 쿼크와 쌍을 이루는 항-쿼크가 생성된다. 쿼크는 결코 아닙니다. 그러나 결코 - 샤페론 없이는
그러나 이것은 여전히 입니다 하지 않습니다. 색상 전하를 완전히 덮으려면 쿼크와 동시에 반 쿼크를 정확히 같은 장소에 두어야합니다. Heisenberg의 불확실성 원칙은 자연이 이런 식으로 쿼크와 반 쿼크를 고정시키지 못하게 할 것입니다. 정확한 위치는 무한 운동량을 의미하며 시간에 따른 정확한 에너지 변화 속도는 무한 에너지를 의미합니다. 자연은 타협을 해결하는 것 외에는 선택의 여지가 없습니다. 색상 전하를 완전히 다룰 수는 없지만 반 쿼크와 가상 글루온으로 마스크 할 수 있습니다. 에너지는 최소한 관리 가능한 수준으로 줄어 듭니다.
이런 종류의 일은 양성자와 중성자 내부에서도 계속됩니다. 숙주 입자의 경계 내에서, 3 개의 쿼크는 비교적 자유롭게 주위를 덜 쥐고있다. 그러나 다시 한 번, 색상 전하는 덮어야하거나 최소한 노출 된 충전의 에너지를 줄여야합니다. 각 쿼크는 Quark-Anti-Quark 쌍과 함께 그들 사이를 오가는 가상 글루온의 눈보라를 생산합니다. 물리학 자들은 때때로 양성자 또는 중성자 "원자가"쿼크를 구성하는 세 개의 쿼크를 부릅니다.이 입자 내부에는 Quark-Anti-Quark 쌍의 추가 바다를위한 충분한 에너지가 있기 때문입니다. 원자가 쿼크는이 입자 내부의 유일한 쿼크가 아닙니다.
이것이 의미하는 바는 양성자와 중성자의 질량이 크게 에너지 로 추적 될 수 있다는 것입니다. 컬러 필드에서 섞인 쿼크-안티 쿼크 쌍의 바다.
우리는 어떻게 알 수 있습니까? 글쎄, QCD를 사용하여 계산을 수행하는 것은 실제로 다소 어렵다는 것을 인정해야합니다. 색상은 매우 강하기 때문에 색상 상호 작용의 해당 에너지는 매우 높습니다. 글루온에는 색 전하가 있으므로 모든 것이 다른 모든 것과 상호 작용한다는 것을 기억하십시오. 사실상 모든 일이 일어날 수 있으며 가능한 모든 가상 및 기본 입자 순열을 추적하는 것은 매우 까다 롭습니다.
이는 QCD의 방정식이 비교적 간단한 방식으로 기록 될 수 있지만 종이로 분석적으로 해결할 수 없음을 의미합니다. 또한 QED에 성공적으로 사용되는 수학적 손잡이는 더 이상 적용되지 않습니다. 상호 작용의 에너지가 너무 높기 때문에 재 정규화 기술을 적용 할 수 없기 때문입니다. 물리학 자들은 대신 컴퓨터의 방정식을 해결하는 것 외에는 선택의 여지가 없었습니다.
"QCD-Lite"라는 QCD 버전으로 상당한 진전이있었습니다. 이 버전은 대량의 글루온과 위아래로 쿼크 만 고려했으며, 쿼크 자체는 또한 질량이 없다고 가정했습니다 (따라서 말 그대로“라이트”). 이러한 근사치에 기초한 계산은 측정 된 값보다 10 % 가벼운 것으로 밝혀진 양성자 질량을 산출했습니다.
그것에 대해 조금 생각하기를 멈추자. 그럼에도 불구하고 입자가 질량이 없다고 가정하는 단순화 된 QCD 버전은 90 %의 양성자에 대한 질량을 예측한다고 가정합니다. 결론은 꽤 놀랍습니다. 양성자 질량의 대부분은 에너지에서 나옵니다 구성 쿼크와 글루온의 상호 작용.
John Wheeler는“질량없는 질량”이라는 문구를 사용하여 중력파의 중첩 효과를 설명하여 블랙홀이 생성되도록 에너지를 집중시키고 국소화 할 수있었습니다. 이런 일이 발생한다면, 이는 초고중 밀도의 궁극적 인 표현 인 블랙홀이 무너지는 별의 문제가 아니라 시공간의 변동에서 만들어 졌다는 것을 의미합니다. 휠러가 실제로 의미하는 바는 이것이 중력 에너지에서 블랙홀 (질량)을 만드는 경우입니다.
그러나 Wheeler의 문구는 여기에서 적절합니다. QCD의 건축가 중 한 명인 Frank Wilczek은 QCD-Lite 계산 결과에 대한 논의와 관련하여이를 사용했습니다. 양성자와 중성자의 질량이 대부분이 입자 내부에서 발생하는 상호 작용의 에너지에서 비롯된 경우, 이것은 실제로“질량이없는 질량”이며, 즉, 우리는 행동 를 얻는다는 것을 의미합니다. 우리는 질량이 필요없이 질량을 부동산으로 발표하는 경향이 있습니다. .
이것은 친숙하게 들리나요? 아인슈타인의 특별한 상대성에 관한 1905 년 논문에 대한 아인슈타인의 주요 부록에서 그가 파생 한 방정식은 실제로 m 입니다. = e / c . 이것은 위대한 통찰력입니다 ( not e = mc ). 그리고 아인슈타인은“신체의 질량은 에너지 함량의 척도입니다.” 실제로, 그것은입니다. 그의 저서에서 의 가벼움 Wilczek은 다음과 같이 썼습니다.
신체가 인체 인 경우, 그에 따른 양성자와 중성자에서 질량이 압도적으로 발생하는 경우, 이제 대답이 명확하고 결정적입니다. 95 %의 정확도로 그 신체의 관성은 입니다. 에너지 함량
U-235 핵의 핵분열에서, 양성자 및 중성자 내부의 색상 필드의 일부 에너지가 방출되어 잠재적으로 폭발적인 결과가 발생합니다. 4 개의 양성자의 융합을 포함하는 양성자 - 프로 톤 사슬에서, 2 개의 상향 쿼크를 2 개의 다운 쿼크로 전환하여 공정에서 2 개의 중성자를 형성하여 컬러 필드에서 약간의 과도한 에너지가 방출됩니다. 질량은 에너지로 전환하지 않습니다. 에너지는 대신 한 종류의 양자 장에서 다른 종류로 전달됩니다.
이것은 우리를 어디에 남겨 두나요? 고대 그리스 원자가들이 2,500 년 전에 물질 물질의 본질에 대해 추측 한 이후로 우리는 확실히 먼 길을 왔습니다. 그러나이 기간 동안 우리는 물질이 우리의 육체 우주의 기본 부분이라는 확신을 가졌습니다. 우리는 그것이 에너지가있는 것이 중요하다고 확신했습니다. 그리고 물질은 미세한 성분으로 환원 될 수 있지만 오랫동안 우리는 이것들이 여전히 물질로 인식 될 수 있다고 믿었습니다. 그들은 여전히 일차 질량의 질을 가질 것입니다.
.현대 물리학은 우리에게 다소 다른, 매우 반 직관적 인 것을 가르쳐줍니다. 우리가 내면으로 내면으로 일하면서 원자, 원자가 아 원자 입자, 아 원자 입자를 양자 장 및 힘으로 뿌려서 물질의 시야를 완전히 잃어 버렸습니다. 물질은 유형을 잃었습니다. 질량이 2 차 품질이되면서 우선권을 잃었습니다. 우리가 질량으로 인식하는 것은이 양자 장의 행동입니다. 그것은 그들에게 속한 재산이 아닙니다.
우리의 물리적 세계는 단단하고 무거운 물건으로 가득 차 있다는 사실에도 불구하고, 대신 에너지 입니다. 최고를 통치하는 양자 분야의. 질량은 단순히 다른 방법보다는 그 에너지의 물리적 표현이됩니다.
이것은 개념적으로 매우 충격적이지만 동시에 매우 매력적입니다. 우주의 큰 통일 특징은 단단하고 뚫을 수없는 원자가 아니라 양자 장의 에너지입니다. 아마도 이것은 철학자들이 빨리 붙잡고있는 꿈이 아니지만 꿈은 그럼에도 불구하고 꿈입니다.
Jim Baggott는 프리랜서 과학 작가입니다. 그는 University of Reading의 화학 강사 였지만 Shell International Petroleum Company와 함께 일하면서 독립 비즈니스 컨설턴트 및 트레이너로 일했습니다. 그의 많은 책에는 가 포함됩니다 기원 :창조의 과학적 이야기, Higgs :'신 입자'의 발명과 발견, 양자 이야기 :40 순간의 역사, 및 현실에 대한 초보자 안내서.
에서 적응 질량 :Jim Baggott의 그리스 원자에서 양자 분야에 이르기까지 물질을 이해하려는 탐구. Jim Baggott의 Copyright © 2017 및 Oxford University Press에 의해 출판되었습니다. 모든 권리 보유.
참조
1. 아인슈타인, A. 신체의 관성은 에너지 컨텐츠에 의존합니까? Annalen der Physik 18 (1905).
2. Wilczek, F. 존재의 가벼움 Basic Books, New York, NY (2008).
Photocollage 크레딧 :PhysicsWorld.com; THATERE THITIVONGVAROON / GETTY IMASK
