99% массы Вселенной образуется из вакуума

[cartesius]

Учёные вычислили, как 99% видимой Вселенной возникли «из ничего»

http://www.gazeta.ru/news/science/2008/11/21/n_1298866.shtml

Группе немецких теоретиков удалось «из первых принципов» квантовой хромодинамики вычислить массы протона и нейтрона и других лёгких адронов, которые совпала с экспериментальным результатом в пределах 2%-ной ошибки вычислений. Учёным впервые удалось учесть эффекты образования виртуальных кварков – фундаментальных компонент, из которых состоят частицы атомного ядра – для частицы из трёх кварков. Прежние оценки массы таких частиц сходились с экспериментом лишь в пределах 10%-ной погрешности.

Хотя протоны и нейтроны состоят из трёх кварков, суммарная масса трио составляет лишь малую долю (чуть более 1%) измеренной массы протона. Остальное – это энергия взаимодействия между кварками, энергия колебаний поля сильного взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой. Более того, при взаимодействии непрерывно рождаются и исчезают виртуальные кварки, постоянно превращающие протон или нейтрон то в одну, то в другую более экзотическую частицу; лишь при усреднении этой картины получается объект, ведущий себя, как частица атомного ядра.

Посчитать вклад взаимодействия – и особенно рождения виртуальных кварков – невероятно трудно из-за особенности этой теории, не допускающей стандартных методов приближений. Чтобы хоть как-то упростить вычисления, учёные замещают реальное пространство трёхмерной кубической решёткой, в узлы которой помещают частицы. Глюоны – частицы-переносчике взаимодействий превращаются при вычислениях в матрицы, описывающие перемещение из одного узла в другой.

Учёные под предводительством Стефана Дюрра из Института вычисления имени фон Неймана в германском Юлихе воспользовались одним из представлений такого решёточного приближения и мощнейшей сетью компьютеров института, позволяющей параллельно производить около 200 триллионов элементарных операций в секунду. Кроме того, они тщательно контролировали ошибки, которые могут возникать при вычислениях. Описание их работы опубликовано в последнем номере Science.

Полученный ими результат – 936 МэВ (плюс-минус 50 МэВ) согласуется с очень точно установленным экспериментальным значением 939 МэВ с точностью 0,3%. Однако точность своих собственных расчётов учёные оценивают в 2%. Ещё 2% неточности возникают при экстраполяции с рассчитанной решётки на решётку с нулевым ребром, которая, как принимают учёные, представляет реальный мир. Для экстраполяции учёные изучили поведение результатов расчёта для массы куда более простой частицы – пиона при уменьшении размеров решётки.

По мнению физиков, это – вообще говоря, техническое – достижение подкрепляет уверенность в работоспособности квантовой хромодинамики, получение от которой конкретных численных предсказаний печально знаменито своей трудоёмкостью. Ну а всем остальным может показаться интересным, что около 99% массы их тела – результат квантовых колебаний квантовохромодинамического вакуума и возникает, грубо говоря, из ничего. Происхождение оставшегося 1% связывают с полем Хиггса, дающим массу электронам и кваркам. «Газета.Ru»

[spectator]

Популярная статья, но здесь все же больше подробностей:

_______________________________________________________

Nov 21, 2008

Proton and neutron masses calculated from first principles

The next time you step on bathroom scales, remember that it’s not your big bone structure or that extra helping of pudding that makes you heavy, it’s the motion of the quarks and gluons buzzing around inside the protons and neutrons that make up your body.

That’s the finding of a massive computer simulation of quantum chromodynamics (QCD) — the theory of the strong force — carried out by researchers in Germany, Hungary and France. They say theirs is the first to control all systematic uncertainties, thereby providing an accurate description of how quarks bind together to form baryons such as protons and neutrons.

The idea that protons and neutrons are made of three quarks has been around for over 40 years. However, the mathematical nature of the strong force that binds quarks together makes it impossible to make exact analytic calculations of the fundamental properties of both the quarks and the particles they make up.

Sea of quarks

This is further complicated by the “sea” of quark-anti quark pairs that is also believed to reside within heavy particles. These pairs bubble up from the gluons — massless particles that mediate the strong force — and must be included in any credible calculation.

To overcome these problems, physicists have come up with clever ways of doing approximate QCD calculations using supercomputers. But despite the development of sophisticated numerical techniques and ever faster computers, physicists have struggled to make a reasonable prediction of the mass of the humble proton — a quantity that is known experimentally to great precision.

Now, Zoltan Fodor and colleagues at DESY, Bergische University and the Juelich Supercomputing Center in Germany, along with researchers at Eotvos University in Hungary and CNRS Aix-Marseille in France, have used an established computational technique called “lattice gauge theory” to make the first calculations of the masses of the proton and neutron that incorporate all the relevant physics; make all the appropriate numerical approximations; and deliver a comprehensive analysis of possible errors and uncertainties in the results. Their success was possible thanks to the combined power of two IBM Blue Gene supercomputers and two cluster-computing centres (Science 322 1224).

4D lattice does the trick

The technique keeps track of a vast number of quarks and gluons by describing the space and time inside a proton with a set of points that make up a 4D lattice. This allows the equations of QCD to be solved in an iterative process using standard numerical techniques.

The problem is that this discretization introduces systematic errors. Although those errors can be contolled by making the lattice spacing smaller, that in turn requires evern more computing power. The approximation also had to keep track of the sea quarks, which is another computationally intensive task.

The calculations suggest that the mass of the nucleon (the calculation cannot distinguish between protons and neutrons) to be 936 MeV/C2 with statistical and systematic uncertainties of ±25 and ±22 MeV/C2 respectively. The known mass of the proton and neutron are 938 and 940 MeV/C2 respectively.

The team have also been able to use their technique to calculate the mass of two mesons and seven heavier baryons.

Separating weak from strong

While calculating the mass of the proton hardly seems Earth shattering, Fodor believes that the teams work shows that it is possible to make meaningful predictions of the role of the strong force in the particle interactions that will soon be occurring in the LHC.

For example CP violation is usually associated with the weak force between quarks, but quarks always interact strongly, thus the strong force must also be considered. The LHCb experiment at the LHC intends to explore such CP violating processes or even new physical phenomena and interpreting its results will require accurate calculations of the properties of particles containing the bottom quark.

On a more philosophical note, Fodor points out that the calculations confirm that the QCD-driven motion of quarks within nucleons — rather than the mass of the quarks themselves — is responsible for the vast majority of the visible mass in the universe.

About the author

Hamish Johnston is editor of Physicsworld

[Ara55]

<<...Однако точность своих собственных расчётов учёные оценивают в 2%. Ещё 2% неточности возникают при экстраполяции с рассчитанной решётки на решётку с нулевым ребром, которая, как принимают учёные, представляет реальный мир...>>

Значит в пределах погрешности эксперимента можно сказать, что сущее возникло из "ничто".

[cartesius]

<<...Однако точность своих собственных расчётов учёные оценивают в 2%. Ещё 2% неточности возникают при экстраполяции с рассчитанной решётки на решётку с нулевым ребром, которая, как принимают учёные, представляет реальный мир...>>

Значит в пределах погрешности эксперимента можно сказать, что сущее возникло из "ничто".

Более того, на 99% оно до сих пор возникает из физического вакуума (который все же сложно назвать "ничем").

[Ara55]

Знать бы еще что такое "физический вакуум" и чем оно отличается от философского "ничто".

[cartesius]

Знать бы еще что такое "физический вакуум" и чем оно отличается от философского "ничто".

Я могу сказать, но пока не углубишься в квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна - все равно не поймешь... :diana:

[Araqs]

если 99% массы Вселенной образуется из Вакуума, то из чего образуется оставшийся 1%?

и чем отличаются 99% массы от 1%.?

[cartesius]

если 99% массы Вселенной образуется из Вакуума, то из чего образуется оставшийся 1%?

и чем отличаются 99% массы от 1%.?

Так ведь написано: "Происхождение оставшегося 1% связывают с полем Хиггса, дающим массу электронам и кваркам."

Вот запустят адронный коллайдер, сразу выяснят, что это за поле Хиггса.

:diana:

Изменено 22 ноября 2008 пользователем cartesius (история изменений)

[Ardani]

Более того, на 99% оно до сих пор возникает из физического вакуума (который все же сложно назвать "ничем").

[ese]

Тогда возникает вопрос - "А из чего образовался физический вакуум ?

[Limited edition]

Тогда возникает вопрос - "А из чего образовался физический вакуум ?

[cartesius]

А из чего образовалось "ничто"? :diana:

[Araqs]

ничто было всегда.

это всего лишь в наших умах ничто это ничто. на самом деле ничто - это гораздо больше.

[Ara55]

А зачем "ничто" образовываться, если оно уже само по себе означает отсутствие "образований" ?

Важнее знать , есть ли у "ничто" такое свойство, как образовывать "виртуальные пары частиц нечто" . Или это свойство присуще лишь "физическому вакууму", которое на самом деле пронизано реальными полями , от которых нельзя избавиться вакуумным насосом.

[Limited edition]

А зачем "ничто" образовываться, если оно уже само по себе означает отсутствие "образований" ?

Важнее знать , есть ли у "ничто" такое свойство, как образовывать "виртуальные пары частиц нечто" . Или это свойство присуще лишь "физическому вакууму", которое на самом деле пронизано реальными полями , от которых нельзя избавиться вакуумным насосом.