Msza jest jednym z podstawowych, a zarazem tajemniczych pojęć w nauce. W świecie cząstek elementarnych nie można go oddzielić od energii. Jest niezerowe nawet dla neutrin, a większość z nich znajduje się w niewidzialnej części Wszechświata. RIA Novosti mówi, co fizycy wiedzą o masie i jakie tajemnice się z nią wiążą.
Względnie i elementarnie
Na przedmieściach Paryża, w siedzibie Międzynarodowego Biura Miar i Wag, znajduje się cylinder wykonany ze stopu platyny i irydu o wadze dokładnie jednego kilograma. To jest standard na całym świecie. Masę można wyrazić w kategoriach objętości i gęstości i można uznać, że służy ona jako miara ilości materii w ciele. Ale fizycy badający mikroświat nie są zadowoleni z tak prostego wyjaśnienia.
Wyobraź sobie ruch tego cylindra. Jego wysokość nie przekracza czterech centymetrów, niemniej jednak trzeba będzie podjąć zauważalny wysiłek. Jeszcze więcej wysiłku zajmie przeniesienie np. Lodówki. Konieczność zastosowania siły fizyki tłumaczy się bezwładnością ciał, a masę traktuje się jako współczynnik łączący siłę i wynikające z niej przyspieszenie (F = ma).
Masa służy jako miara nie tylko ruchu, ale także grawitacji, która zmusza ciała do wzajemnego przyciągania się (F = GMm / R2). Kiedy wchodzimy na wagę, strzałka jest odchylona. Dzieje się tak, ponieważ masa Ziemi jest bardzo duża, a siła grawitacji dosłownie wypycha nas na powierzchnię. Na jaśniejszym księżycu osoba waży sześć razy mniej.
Grawitacja jest nie mniej tajemnicza niż masa. Założenie, że niektóre bardzo masywne ciała mogą podczas ruchu emitować fale grawitacyjne, zostało potwierdzone eksperymentalnie dopiero w 2015 roku na detektorze LIGO. Dwa lata później odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.
Zgodnie z zasadą równoważności zaproponowaną przez Galileusza i udoskonaloną przez Einsteina, masy grawitacyjne i bezwładnościowe są równe. Wynika z tego, że masywne obiekty są zdolne do zakrzywiania czasoprzestrzeni. Gwiazdy i planety tworzą wokół siebie lejki grawitacyjne, w których obracają się naturalne i sztuczne satelity, aż spadną na powierzchnię.
Film promocyjny:
Quark wchodzi w interakcję z polem Higgsa / Ilustracja RIA Novosti / Alina Polyanina.
Skąd pochodzi masa
Fizycy są przekonani, że cząstki elementarne muszą mieć masę. Udowodniono, że elektron i budulec wszechświata - kwarki - mają masę. W przeciwnym razie nie mogliby utworzyć atomów i całej widzialnej materii. Bezmasowy wszechświat byłby chaosem kwantów różnych promieni, pędzących z prędkością światła. Nie byłoby galaktyk, gwiazd, planet.
Ale skąd pochodzi masa?
„Podczas tworzenia modelu standardowego w fizyce cząstek elementarnych - teorii opisującej elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływanie wszystkich cząstek elementarnych, pojawiły się wielkie trudności. Model zawierał nieuniknione rozbieżności spowodowane obecnością niezerowych mas w cząstkach”- mówi Alexander Studenikin, doktor nauk ścisłych, profesor Wydziału Fizyki Teoretycznej na Wydziale Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Łomonosowa, RIA Novosti.
Rozwiązanie zostało znalezione przez europejskich naukowców w połowie lat 60. XX wieku, co sugeruje, że w przyrodzie istnieje inna dziedzina - skalarna. Przenika cały Wszechświat, ale jego wpływ jest zauważalny tylko na poziomie mikro. Wydaje się, że cząsteczki utknęły w nim i nabierają masy.
Tajemnicze pole skalarne zostało nazwane na cześć brytyjskiego fizyka Petera Higgsa, jednego z twórców Modelu Standardowego. Jego imieniem nazwano również bozon - masywną cząstkę powstającą w polu Higgsa. Został odkryty w 2012 roku podczas eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Rok później Higgs otrzymał wraz z François Englerem Nagrodę Nobla.
Polowanie na duchy
Widmo cząstki - neutrino - również musiało zostać rozpoznane jako masywne. Wynika to z obserwacji strumieni neutrin ze Słońca i promieni kosmicznych, których przez długi czas nie można było wyjaśnić. Okazało się, że cząstka jest zdolna do przechodzenia w inne stany podczas ruchu lub oscylacji, jak mówią fizycy. Bez masy jest to niemożliwe.
„Neutrina elektroniczne, które powstały np. We wnętrzu Słońca, w ścisłym tego słowa znaczeniu, nie mogą być uważane za cząstki elementarne, ponieważ ich masa nie ma określonego znaczenia. Ale w ruchu każdy z nich można uznać za superpozycję cząstek elementarnych (zwanych również neutrinami) o masach m1, m2, m3. Ze względu na różnicę prędkości neutrin masowych, detektor wykrywa nie tylko neutrina elektronowe, ale także neutrina innych typów, np. Neutrina mionowe i tau. Jest to konsekwencja mieszania i oscylacji przewidywanych w 1957 roku przez Bruno Maksimovicha Pontecorvo”- wyjaśnia profesor Studenikin.
Ustalono, że masa neutrina nie może przekraczać dwóch dziesiątych elektronowolta. Ale dokładne znaczenie jest nadal nieznane. Naukowcy robią to w ramach eksperymentu KATRIN w Instytucie Technologii w Karlsruhe (Niemcy), który rozpoczął się 11 czerwca.
„Kwestia wielkości i natury masy neutrin jest jedną z głównych. Jego decyzja będzie podstawą do dalszego rozwoju naszego rozumienia konstrukcji”- podsumowuje profesor.
Wydawałoby się, że w zasadzie wszystko wiadomo o masie, pozostaje wyjaśnienie niuansów. Ale tak nie jest. Fizycy obliczyli, że materia, którą obserwujemy, zajmuje tylko pięć procent masy materii we wszechświecie. Reszta to hipotetyczna ciemna materia i energia, które nic nie emitują i dlatego nie są rejestrowane. Z jakich cząstek składają się te nieznane części wszechświata, jaka jest ich budowa, jak oddziałują na nasz świat? Następne pokolenia naukowców będą musiały to rozgryźć.
Tatiana Pichugina