Masa wciąż jest dla fizyków zagadką

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Msza jest jednym z podstawowych, a zarazem tajemniczych pojęć w nauce. W świecie cząstek elementarnych nie można go oddzielić od energii. Jest niezerowa nawet dla neutrin, a większość z nich znajduje się w niewidzialnej części Wszechświata. RIA Novosti opowiada, co fizycy wiedzą o masie i jakie tajemnice się z nią wiążą.

Względnie i elementarne

Na przedmieściach Paryża, w siedzibie Międzynarodowego Biura Miar i Wag, znajduje się walec ze stopu platyny i irydu o wadze dokładnie jednego kilograma. To jest standard dla całego świata. Masę można wyrazić w postaci 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, że poruszasz tym cylindrem. Jego wysokość nie przekracza czterech centymetrów, niemniej jednak trzeba będzie poczynić zauważalny wysiłek. Przeniesienie np. lodówki będzie wymagało jeszcze większego wysiłku. Konieczność przyłożenia siły fizycznej tłumaczy się bezwładnością ciał, a masę uważa się za współczynnik łączący siłę i wynikające z niej przyspieszenie (F = ma).

Masa służy jako miara nie tylko ruchu, ale także grawitacji, która powoduje, że ciała przyciągają się nawzajem (F = GMm / R2). Kiedy wchodzimy na wagę, strzałka się odchyla. Dzieje się tak, ponieważ masa Ziemi jest bardzo duża, a siła grawitacji dosłownie wypycha nas na powierzchnię. Na jaśniejszym księżycu człowiek waży sześć razy mniej.

Grawitacja jest nie mniej tajemnicza niż masa. Założenie, że podczas ruchu niektóre bardzo masywne ciała mogą emitować fale grawitacyjne, zostało eksperymentalnie potwierdzone dopiero w 2015 roku na detektorze LIGO. Dwa lata później odkrycie to zostało nagrodzone Nagrodą Nobla.

Zgodnie z zasadą równoważności zaproponowaną przez Galileusza i udoskonaloną przez Einsteina, masy grawitacyjne i bezwładnościowe są sobie równe. Wynika z tego, że masywne obiekty mogą zaginać czasoprzestrzeń. Gwiazdy i planety tworzą wokół siebie leje grawitacyjne, w których naturalne i sztuczne satelity krążą, aż opadną na powierzchnię.

Skąd pochodzi masa

Fizycy są przekonani, że cząstki elementarne muszą mieć masę. Udowodniono, że elektron i elementy budulcowe wszechświata - kwarki - mają masę. W przeciwnym razie nie mogliby tworzyć atomów i całej widzialnej materii. Wszechświat bez masy byłby chaosem kwantów różnego promieniowania, pędzącego z prędkością światła. Nie byłoby galaktyk, gwiazd, planet.

Ale skąd cząsteczka bierze swoją masę?

„Przy tworzeniu Modelu Standardowego w fizyce cząstek elementarnych – teorii opisującej oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne wszystkich cząstek elementarnych, pojawiły się ogromne trudności. Model zawierał nieuniknione rozbieżności ze względu na obecność niezerowych mas cząstek”, mówi Alexander Studenikin. Doktor nauk ścisłych RIA Novosti, profesor Wydziału Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Łomonosowa.

Rozwiązanie znaleźli europejscy naukowcy w połowie lat 60., sugerując, że w przyrodzie istnieje jeszcze jedna dziedzina - skalarna. Przenika przez cały Wszechświat, ale jego wpływ jest zauważalny tylko na poziomie mikro. Cząsteczki wydają się w nim utknąć, a tym samym nabierają masy.

Tajemnicze pole skalarne zostało nazwane na cześć brytyjskiego fizyka Petera Higgsa, jednego z założycieli Modelu Standardowego. Bozon, masywna cząstka powstająca w polu Higgsa, również nosi jego imię. Został odkryty w 2012 roku w eksperymentach w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Rok później Higgs otrzymał Nagrodę Nobla wraz z François Englerem.

Polowanie na duchy

Duch cząsteczkowy – neutrino – również musiał zostać rozpoznany jako masywny. Wynika to z obserwacji strumieni neutrin ze Słońca i promieni kosmicznych, których długo nie można było wyjaśnić. Okazało się, że cząsteczka jest zdolna do przechodzenia w inne stany podczas ruchu, czyli oscylowania, jak mówią fizycy. Bez masy jest to niemożliwe.

„Neutrina elektroniczne, które rodzą się np. we wnętrzu Słońca, w ścisłym tego słowa znaczeniu nie mogą być uważane za cząstki elementarne, ponieważ ich masa nie ma określonego znaczenia. superpozycja cząstek elementarnych (zwanych też 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 taonowe. Jest to konsekwencja mieszania i oscylacji przewidywanych w 1957 r. przez Bruno Maksimowicza Pontecorvo – wyjaśnia profesor Studenikin.

Ustalono, że masa neutrina nie może przekraczać dwóch dziesiątych części elektronowoltu. Ale dokładne znaczenie jest wciąż nieznane. Naukowcy robią to w ramach eksperymentu KATRIN w Karlsruhe Institute of Technology (Niemcy), rozpoczętego 11 czerwca.

„Pytanie o wielkość i naturę masy neutrin jest jednym z głównych. Jej rozwiązanie będzie podstawą do dalszego rozwoju naszych wyobrażeń o strukturze” – podsumowuje profesor.

Wydawałoby się, że w zasadzie wszystko wiadomo o masie, pozostaje wyjaśnienie niuansów. Ale tak nie jest. Fizycy obliczyli, że materia, która jest podatna na nasze obserwacje, zajmuje tylko pięć procent masy materii we wszechświecie. Reszta to hipotetyczna ciemna materia i energia, które niczego 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.