מאת: Don Lincoln
מקור: BigThink
אם אשאל אתכם מאיפה המסה שלכם, התשובה שלכם עשויה להיות כרוכה בבורקס נוסף או שניים. עם זאת, אם אשאל חובב מדע את אותה שאלה, הייתי מצפה לשמוע שהמקור האמיתי של המסה הוא מתופעה פיזיקלית שנקראת שדה היגס. אמנם טענה זו נראית לעתים קרובות בסיפורי מדע פופולרי, אך מסתבר שהיא אינה נכונה כלל. ואכן, שדה היגס תורם מעט מאד למסה של היקום. המציאות הרבה יותר מעניינת.
ראשית, בואו נבדוק מדוע העיתונות המדעית טוענת ששדה היגס נותן מסה לחפצים.

שדה היגס
שדה היגס היתה תיאוריה שפותחה בשנות ה-60 כסוג של פלסטר כדי להציל תיאוריה אחרת שהייתה פופולרית באותה תקופה. פיזיקאים פיתחו תיאוריה לפיה שניים מהכוחות הקוונטיים הידועים - אלקטרומגנטיות והכוח הגרעיני החלש - הם למעשה שני ביטויים של כוח בסיסי אחד: הכוח האלקטרו-חלש. (אלקטרומגנטיות אחראית לחשמל, מגנטיות, אור והרבה מהכימיה, בעוד שהכוח הגרעיני החלש אחראי לצורות מסוימות של קרינה).
באותה מידה שאנו יודעים שקרח וקיטור הם פשוט צורות שונות של מים, שני הכוחות השונים לכאורה הללו היו רק דרכים שונות להסתכל על אותו הדבר. הייתה בעיה עם הכוח החדש והמאוחד הזה - הוא חזה שלכל החלקיקים התת-אטומיים יש מסה אפסית. טענה זו הייתה ידועה כמוטעית כבר בשנות ה-30 של המאה ה-20, כך שהתיאורית הכוח האלקטרו-חלש עשויה היתה למות זמן קצר לאחר שנולדה. עם זאת, קבוצת פיזיקאים באמצע שנות ה-60 הציעה שדה אנרגיה - הנקרא כיום שדה היגס - שנתן מסה לחלקיקים מסוימים אך לא לאחרים.
תיאוריית שדה היגס הזו ניבאה את קיומו של חלקיק שנקרא בוזון היגס - שנקרא לעתים קרובות "החלקיק האלוהי" על ידי כמה כתבי מדע. בוזון היגס התגלה ב-2012 על ידי חוקרים שעבדו במעבדת CERN באירופה. עם גילוי בוזון היגס, תיאורית הכוח האלקטרו-חלש אומתה.
נכון ששדה היגס נותן מסה לחלקיקים תת-אטומיים, כמו למשל האלקטרון המוכר, כמו גם קבוצה של חלקיקים הנקראים "קווארקים" שנמצאים בתוך פרוטונים ונייטרונים. בגלל האמת הזו, כתבים וחובבי מדע אומרים ששדה היגס נותן לנו מסה.

מה נותן לנו מסה?
עם זאת, למרות הצלחתה של תיאוריית היגס, טענה זו מתבררת כלא נכונה. נוכל להמחיש זאת על ידי שאלה מאיפה מגיעה המסה של אדם השוקל 100 ק"ג. אם תשאלו כימאי, הוא יגיד שהמסה של האדם מגיעה מהמולקולות מהן הוא מורכב. ואם אתם שוקלים את המולקולות האלה, אתם מגלים שהן שוקלות 100 ק"ג. אם נחפר לעומק, אנו יכולים לשאול: מהי מסת האטומים המרכיבים את המולקולות הללו? כאשר אתם שוקלים אותם, אתם שוב מוצאים 100 ק"ג.
בתוך אטומים נמצאים הפרוטונים והנייטרונים שנמצאים במרכז האטום, כמו גם ענן של אלקטרונים המסתחרר סביב ההיקף. הפרוטונים והנייטרונים שוקלים כמעט אותו דבר, בעוד שהאלקטרונים הם בעלי משקל קל - משקלם הוא כ-0.05% בלבד ממסת הפרוטונים והנייטרונים. לכן, ניתן להתעלם ממשקל האלקטרונים ולהתרכז בפרוטונים ובנייטרונים. כאשר מחברים את המסות שלהם, מקבלים 99.95 ק"ג (עם 0.05 ק"ג שמגיעים מהאלקטרונים).
בשלב זה, נראה שמסתו של אדם נובעת מהחלקיקים התת-אטומיים שמהם הוא מורכב; עם זאת, כאן היקום מציב בפנינו הפתעה. כל פרוטון ונייטרון מכילים שלושה חלקיקים קטנים יותר שנקראים קווארקים. לכן, ניתן היה לצפות שאם נוסיף את מסת הקווארקים, נקבל את המספר (המשעמם למדי) של 100 ק"ג.
אבל זה לא מה שאתם מוצאים. אם תצרפו את כל המסה של כל הקווארקים באדם של ה-100 ק"ג שלנו, אתם מגלים שהקווארקים שוקלים בערך 2 ק"ג.
אז מאיפה שאר ה-98 ק"ג? שם הדברים נעשים מעניינים. התשובה נמצאת, כפי שלעתים קרובות כל כך קורה, במשוואה המפורסמת של איינשטיין E = mc2. משוואה זו אומרת שאנרגיה ומסה שוות ערך. איך זה עוזר?
מסתבר שבתוך כל פרוטון ונייטרון, הקווארקים נעים במהירויות גבוהות מאד; ואכן, מהירויות אלו יכולות להתקרב למהירות האור. מהירות גבוהה מאד פירושה אנרגיה גבוהה מאד, ולפי איינשטיין, אנרגיה גבוהה מאד פירושה מסה גבוהה מאד. עם זאת, יש עוד בסיפור.
פרוטונים ונייטרונים הם כדורים זעירים בגודל של בערך קוואדריליונית מטר. אם הפרוטונים מורכבים מקווארקים הנעים במהירות אדירה בתוך נפח זעיר זה, חייבים להיות כוחות חזקים בצורה יוצאת דופן שמחזיקים אותם יחד. כוחות חזקים יכולים גם להעיד על אנרגיה גבוהה, בדיוק כמו שקשת מתוחה מאוד מכילה יותר אנרגיה מקשת עם מיתר רפוי.
ניתן לסכם את אנרגיית התנועה והאנרגיה המחזיקה את הקווארקים בתוך פרוטונים ונייטרונים, וכשעושים זאת, מגלים שמסתו של אדם לא עשויה מ"חומר" באופן שבו אנו בדרך כלל חושבים עליו, אלא מסתנו עשויה מאנרגיה. למעשה, כל החומר עשוי מאנרגיה. במובן מסוים (גם אם לא לגמרי מדויק), הטענה הפסבדו-מדעית שאומרת "כולנו אנרגיה" היא נכונה.
עכשיו, אפשר ללכת רחוק מדי עם טענות הפסבדו-מדע, וזה קורה לעתים קרובות. אבל הרעיון שהמסה שלנו היא לא יותר מתנועה תזזיתית של חלקיקים תת-אטומיים זעירים, המוחזקים יחד על ידי כוחות בלתי נתפסים, נותנת לנו דרך שונה מאד לחשוב על חומר ואנרגיה. שוב, המדע לימד אותנו שהמציאות הרבה יותר מוזרה ממה שאנחנו מדמיינים.
Comentários