În viaţa de zi cu zi, termenul de masă se referă la diferite noţiuni: spunem despre cineva că este masiv dacă este grăsuţ, spunem despre aur că este masiv atunci când cântăreşte 24 de karate, spunem despre un tip de lemn că este masiv (precum ulmul masiv) atunci când structura lemnului nu este aglomerată, etc...

Dar intuitiv, asociem masa unui obiect cu inerţia pe care o prezintă acesta la orice modificare a mişcării sale: cu cât un obiect este masiv, cu atât îi va fi mai greu să-şi modifice traiectoria. Astfel, un singur şut într-o minge de fotbal o va face să zboare spre gol. Acelaşi gest asupra unei maşini nu va avea ca efect decât provocarea unor dureri puternice piciorului. Aceasta se explică evident prin faptul că mingea este suficient de uşoară pentru ca un şut sa o pună în mişcare, în timp ce maşina este mult mai masivă în raport cu forţa aceluiaşi gest. Dar, în termeni ştiinţifici, ce este masa? Cum se poate reprezenta masa atomilor, sau cea a particulelor elementare?  De unde provine? Este masa alterată de mişcarea acestor particule ? 

Masa, un imens rezervor de energie: E=mc² 

Masa corespunde energiei interne a obiectelor şi nu variază în funcţie de viteza lor. Această echivalenţă dintre masa şi energia unui corp în repaus a fost descoperită de Albert Einstein în 1905 în momentul formulării teoriei relativităţii restrânse. Este vorba despre celebra ecuaţie E=mc² unde energia unui obiect în repaus, E, este egală cu masa, m, înmulţită cu pătratul vitezei luminii, c.

În urma unui studiu asupra electrodinamicii Albert Einstein (1879-1955) a realizat că un corp ce amite o energie E (de exemplu sub formă de lumină) ar trebui să-şi micşoreze masa  cu o cantitate egală cu E/c². A propus atunci să încerce să observe acest efect cu radiumul recent descoperit şi care emitea o radiaţie intensă. Coeficientul de proporţionalitate (c²) dintre masă şi energie este o consecinţă a principiului relativităţii.

Toată lumea are idee de ceea ce este masa unui obiect prin greutatea sa. Masa este deci considerată ca fiind însumată. De exemplu, dacă vă cântăriţi încălţaţi observaţi că indicaţia balanţei corespunde corect greutăţii dumneavoastră, mărită de cea a încălţămintei. Totuşi, pentru obiectele mai mici, formate din constituenţi mai elementari şi în interacţiune, masa totală nu mai este pur şi simplu suma maselor constituenţilor, ci conţine şi energiile corespunzătoare diferitelor mişcări interne ale sistemului (rotaţii, vibraţii, etc.). Să luăm exemplul unui atom de hidrogen (H), care este un sistem format dintr-o legătură dintre un proton (p) şi un electron (e), masa fiind:

m_H = m_p + m_e – energie de legătură

Observăm aici că energia de legătură se scade din suma maselor componenţilor. Faptul a hidrogenul are o masă mai mică decât a constituenţilor este cauza stabilităţii sale: asemenea unei bile care nu se opreşte din rostogolit decât dacă ajunge la baza colinei (unde energia potenţială este minimă), un atom proaspăt creat nu va fi stabil decât dacă energia sa este mai mică decât cea a nucleului şi a electronului care îl compun.

Dacă înlocuim diferiţi termeni în funcţie de valoarea lor, descoperim că energia de legătură nu corespunde decât unei corecţii de aproximativ unul la 100 milioane. S-ar putea crede că toate acestea nu sunt decât mult zgomot pentru nimic, deoarece această energie minimă este de ordinul câtorva electronvolţi per atom (13,6 mai exact pentru hidrogen). Deşi corespunde unei diferenţe foarte mici de masă, această energie de legătură este totuşi suficient de mare să producă singură toată energia eliberată în timpul reacţiilor chimice (încălzirea, explozia dinamitei, etc.). Faptul că mici diferenţe de masă pot conduce la mari variaţii de energie provine din termenul vitezei luminii ridicată la pătrat în ecuaţia lui Einstein. Numeric, observăm că un kilogram de materie conţine atât de multă energie ca cea produsă, în timpul unui an, de o centrală ce furnizează 3 GW! De fapt, aceste mici diferenţe au trecut nepercepute de ochii chimiştilor care au notat că greutatea reactanţilor într-o reacţie chimică era egală cu greutatea substanţelor rezultante. Era celebra lege: „Nimic nu se pierde, nimic nu se crează, totul se transformă” a lui Lavoisier. Dar să trecem acum la nuclee, care sunt formate din protoni (p) şi neutroni (n). Cel mai simplu dintre ele este cel al deuteriului (D) constituit dintr-un proton şi un neutron. În acest caz:                                               

m_D = m_p + m_n – 2,2 MeV

Corecţia este acum apropiată de 1/1 000, fiind de 100 000 mai mare decât în cazul atomilor. Aceasta dă o idee despre diferenţa de ordin de mărime dintre energia chimică şi cea nucleară. Această posibilitate de a elibera energie pornind de la reacţii între nuclee a fost remarcată în anii 30 de oamenii de ştiinţă germani Lise Meitner, Otto Hahn şi Fritz Strassmann. A fost exploatată pentru producerea energiei nucleare civile dar şi, din păcate, pentru fabricarea bombelor nucleare.

Dar ce se întâmplă în cazul protonului?

Urmărind progresul nostru către interiorul nucleului, ajungem la proton. Acesta nu este elementar, ci compus din trei cuarci şi îşi datorează existenţa forţei numite „tari” care ţine cuarcii împreună. Această interacţiune este diferită de alte forţe cunoscute (electromagnetică, slabă şi gravitaţională) deoarece creşte cu distanţa! Din acest motiv nu putem dispune de cuarci liberi pentru a le măsura masa: cu cât încercăm mai mult să-i îndepărtăm unii de alţii pentru ca în final să-i separăm, cu atât se atrag mai mult. Dacă ajungem să spargem un proton trimiţând în el proiectile formate de alte particule, eliberăm cuarcii care „se îmbracă” însă imediat cu particule mai complexe. Putem cu toate acestea să măsurăm masa cuarcilor prin mijloace indirecte şi cu ajutorul calculelor teoretice.

Observăm atunci că suma maselor cuarcilor ce compun protonul reprezintă abia 5% din masa sa. Restul provine din mediatorii forţei tari care este responsabilă de coeziunea protonului, anume gluonii, care cu toate acestea sunt fară masă! Dar atunci de ce protonul nu încearcă să se spargă în cei trei cuarci care au o energie (masă) totală mai mică decât masa protonului? (n.t. în cadrul atomilor şi nucleelor am văzut mai sus că sistemul final are, din contră, o masă mai mică decât suma maselor componenţilor lui). Ceea ce ţine cuarcii lipiţi împreună (a se vedea/vezi Premiul Nobel 2004) este tocmai o caracteristică ciudată a forţei tari.

Schemă a substructurii atomului.

Călătoria noastră se termină la nivelul cuarcilor şi leptonilor (electron, neutrini, etc.) pe care îi considerăm actualmente ca fiind obiecte fundamentale (care nu sunt constituite din alte componente). De unde vine atunci masa lor? A răspunde la această întrebare este unul din principalele obiective ale programului de la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC), actualmente în construcţie la CERN. Pentru a explica varietatea maselor particulelor, există modele teoretice care postulează existenţa unui (unor) particule care urmează sa fie căutate şi poate descoperite: bosonul sau bosonii Higgs, după numele fizicianului scoţian care i-a propus. Trebuie reţinut că eventuala sa existenţă constituie sursa generatoare a maselor tuturor particulelor care umplu Universul.  

Bombe nucleare 

Prima bombă nucleară, numită „Trinity” (în traducere „Trinitatea”), a fost testată în deşertul Noul Mexic din SUA pe 16 iulie 1945. Această încercare facea parte din proiectul Manhattan care a dus la construcţia lui „Little Boy” (în traducere „Micul băiat”) şi „Fat man” (în traducere „Omul gras”), bombele atomice care au distrus o lună mai târziu Hiroshima şi Nagasaki, pe 6 şi respectiv 9 august. Aceste două bombe care foloseau aproape un kilogram de uraniu pentru una şi un kilogram de plutoniu pentru cealaltă, explodând, au eliberat o energie echivalentă cu 15 000 şi respectiv 20 000 tone de TNT. 

Trinity, prima bombă cu plutoniu construită în lume.

Variaţia energiei de legătură a unui nucleon în sânul unul nucleu,

Variaţia energiei de legătură a unui nucleon în sânul unul nucleu, în funcţie de numărul atomic. Ponctul roşu corespunde cazului fierului (Z = 56) pentru care această valoare este maximă. Mai jos de fier, coeziunea creşte cu Z, ceea ce arată că energia poate fi eliberată dacă două nuclee uşoare se combină pentru a forma un singur nucleu cu masă medie (este fuziunea nucleară). Din contră, la valori mari ale lui Z, legătura între nucleoni scade când Z creşte: poate fi astfel eliberată energie prin fisiunea unui nucleu greu în două nuclee mai mici (este fisiunea nucleară, folosită în centralele nucleare pentru a produce energie, vezi rubrica „Energie”).  

Premiul Nobel pentru fizică din 2004.

În octombrie 2004, premiul Nobel în fizică a fost decernat lui D. Gross, H. D. Politzer şi F. Wilczek pentru contribuţia lor decisivă la descrierea teoretică a forţei tari. Această teorie, cunoscută sub numele de Cromodinamică Cuantica (Quantum Chromodynamics în engleză, de unde şi acronimul QCD), explică de ce atracţia între cuarci creşte odată cu distanţa dintre ei.

D. Gross: director al Institului de Fizica Teoretică KAVLI, Universitatea din California, Santa Barbara, SUA.

H. D. Politzer, Intitutul din California, CAltech, Pasadena, SUA.

F. Wilczek, MIT, Cambridge, USA.

Mecanismul Higgs şi bosonul Higgs

Masa unei particule elementare ar proveni din interacţiunea sa permanentă cu un câmp destul de ciudat, câmpul Higgs care ar umple tot spaţiul (după numele lui Peter Higgs, fizicianul scoţian care l-a propus). Tocmai pentru că această interacţiune este mai mult sau mai puţin puternică că particula care „se scaldă” în acest câmp este mai mult sau mai puţin masivă. Acest mecanism poate fi vizualizat în cursul unor fenomene deja cunoscute: un electron ce traversează o bucată de cristal se supune câmpului cristalin şi masa sa aparentă se multiplică cu un factor ce merge până la 40! La fel şi o bilă pusă pe suprafaţa unui lichid se scufundă mai încet sau mai repede în funcţie de vâscozitatea acestuia,  ca şi cum masa sa iniţială este modificată în funcţie de lichid. 

Peter Higgs.

(Tradus de Corina Smarandache din revista "Elémentaire", numărul 1 (De la atom la nucleu), originalul putând fi găsit aici.)