У квантовій механіці маса характеризує елементарні частинки, але не вимірює. Тобто задає потенціал сили тяжіння між ними.
Але що таке маса і звідки вона береться? Чи можна сказати, що маса елементарних частинок виникає в момент вимірювання? Іншими словами, чи існують елементарні частинки лише як хвилі, але вимірюються як частинки?
Маса та енергія
Згідно з теорією відносності Ейнштейна, маса та енергія - це різні прояви одного й того ж феномену. Вони пов'язані знаменитою формулою E=mc2, де E - енергія, m - маса, а c - швидкість світла. З цього випливає, що маса може перетворюватися на енергію і навпаки. Наприклад, коли атомна бомба вибухає, частина маси ядра перетворюється на величезну кількість енергії.
Що не визначає масу як фізичну категорію. Чому деякі елементарні частинки мають більшу масу за інші? Як фізики вимірюють масу елементарних частинок?
Маса та Стандартна модель
Стандартна модель - це лише теоретична схема для опису елементарних частинок та їх взаємодій. Вона передбачає існування двох типів мікрооб’єктів: ферміони та бозони.
Ферміони підлягають принципу Паулі: два ферміони не можуть займати один і той же квантовий стан. Бозони насправді не існують, вони виступають посередниками у взаємодіях між ферміонами. Тому бозони не підлягають принципу Паулі: вони можуть займати один і той же квантовий стан.
Стандартна модель також передбачає існування особливого бозона - бозона Гіггса, пов'язаного з полем Гіггса. Вважається, що це поле пронизує все просторово-часовий континуум. Тобто всі частинки співіснують в єдиному полі Гіггса
Скоріш за все, саме Поле Гіггса надає масу деяким елементарним частинкам, і то тоді, коли вони взаємодіють з полем. Чим сильніше частинка взаємодіє з полем Хіггса, тим більшою є її маса.
Вперше бозон Гіггса спостерігався у 2012 році на Великому адронному колайдері (ВАК) - найбільшому у світі прискорювачі частинок. ВАК прискорює дві пучки протонів до швидкості близької до швидкості світла і зіштовхує їх у різних точках колайдера. При цьому утворюються нові частинки з енергією зіткнення. Нові частинки фіксують спеціальні детектори. Проблема в наступному: наші прилади реєструють сліди й параметри, але не самі частинки. Не частинки як такі.
Для вимірювання ж маси фізики користуються законом збереження енергії та імпульсу. Закон стверджує, що сумарна енергія і сумарний імпульс системи залишаться незмінними після будь-якої взаємодії.
Таким чином, якщо знати початкову енергію та iмпульс пучкiв протонiв i кiнцеву енергiю та iмпульс утворених частинок, то можна обчислити рiзницю - це буде енергiя i iмпульс невидимих частинок. З цих значень вже обчислюють масу за формулою Ейнштейна.
Бозон Гіггса ідентифікували за допомогою саме такого методу. Виявилось, що його масa дорівнює приблизно 125 ГеВ (ГеВ - гігаелектрон-Вольт) - це приблизно 133 разів більше за масy протона.
Маса та хвильово-корпускулярна дихотомія
Але що ж стосується хвильово-корпускулярної дихотомії? Чому елементарні частинки проявляють хвильові або корпускулярні характеристики залежно від умов спостереження?
Це питання стосується проблеми квантового стану, математичного представлення всіх можливих характеристик системи.
Кожен квантовий стан описується за допомогою хвильової функції або функції розподілу, яка залежить від координат і часу.
Хвильова функція позначається комплексним числом, тобто має дійсну і уявну частини. Модуль квадрата хвильової функції визначає ймовірність існування частинки в певному місці в певний час.
Далі, хвильова функція задовольняє рівняння Шредінгера - воно описує еволюцію квантового стану в часі. Розв'язки рівняння Шредінгера зазвичай розглядаються як хвилі, шо поширюються і перекриваються в просторі. Однак це не звичайні хвилі, а хвилі ймовірностей.
Коли ми спостерігаємо елементарну частинку, ми вимушені взаємодіяти з нею за допомогою іншої частинки або поля. Наприклад, коли ми бачимо електрон на екрані детектора, це означає, що на нього попав фотон - частинка світла. При цьому хвильова функція електрона зазнає раптового переходу до нового стану - стану вимірювання. Такий процес називають колапсом хвильової функції або редукцією пакета.
При колапсі хвильової функції ми отримуємо конкретний результат вимірювання - наприклад, положення електрона на екрані. Однак ми не можемо передбачити з точністю, де саме буде електрон - лише ймовірність цього події. Таким чином, елементарна частинка проявляє корпускулярний характер при вимірюванні.
Але що ж відбувається з електроном до вимірювання? Чи можемо ми сказати, що він існує як частинка з певною масою і положенням? Ні, не можемо. До вимірювання електрон перебуває в суперпозиції всіх можливих станів - тобто як хвиля ймовірностей. В цьому сенсі елементарна частинка проявляє хвильовий характер до вимірювання.
Маса елементарних частинок - лише один із результатів взаємодії з полем Гіггса. Маса не залежить від того, як ми спостерігаємо за частинкою - як за хвилею або як за корпускулою. Однак сам спосіб спостереження впливає на поведінку частинки - коли ми робимо вимірювання, ми переводимо частинку з хвильового стану до корпускулярного стану. Це одна з найбільш загадкових i незрозумілих особливостей квантового світу.
І це означає... що маси як об’єктивної реальності не існує. Хоча є енергія та імпульс. Питання: чого?
