Masa je još uvijek misterij za fizičare

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Misa je jedan od temeljnih i ujedno tajanstvenih pojmova u znanosti. U svijetu elementarnih čestica ne može se odvojiti od energije. Ona je različita od nule čak i za neutrine, a većina se nalazi u nevidljivom dijelu Svemira. RIA Novosti govori što fizičari znaju o masi i koje su tajne povezane s njom.

Relativno i elementarno

U predgrađu Pariza, u sjedištu Međunarodnog ureda za utege i mjere, nalazi se cilindar od legure platine i iridija težak točno jedan kilogram. Ovo je standard za cijeli svijet. Masa se može izraziti kroz volumen i gustoću i može se smatrati da služi kao mjera količine tvari u tijelu. No, fizičari koji proučavaju mikrosvijet nisu zadovoljni tako jednostavnim objašnjenjem.

Zamislite da pomaknete ovaj cilindar. Njegova visina ne prelazi četiri centimetra, no ipak će se morati uložiti značajan napor. Za pomicanje, na primjer, hladnjaka bit će potrebno još više truda. Potreba za primjenom sile fizike objašnjava se inercijom tijela, a masa se smatra koeficijentom koji povezuje silu i rezultirajuću akceleraciju (F = ma).

Masa služi kao mjera ne samo gibanja, već i gravitacije, zbog čega se tijela međusobno privlače (F = GMm / R2). Kad dođemo na ljestvicu, strelica skreće. To je zato što je masa Zemlje vrlo velika, a sila gravitacije nas doslovno gura na površinu. Na svjetlijem mjesecu, osoba teži šest puta manje.

Gravitacija nije ništa manje tajanstvena od mase. Pretpostavka da tijekom kretanja neka vrlo masivna tijela mogu emitirati gravitacijske valove eksperimentalno je potvrđena tek 2015. godine na detektoru LIGO. Dvije godine kasnije, ovo otkriće je nagrađeno Nobelovom nagradom.

Prema principu ekvivalencije koji je predložio Galileo i precizirao Einstein, gravitacijska i inercijska masa su jednake. Iz ovoga slijedi da su masivni objekti sposobni savijati prostor-vrijeme. Zvijezde i planeti oko sebe stvaraju gravitacijske lijevke u kojima se prirodni i umjetni sateliti okreću dok ne padnu na površinu.

Odakle dolazi masa

Fizičari su uvjereni da elementarne čestice moraju imati masu. Dokazano je da elektron i građevni blokovi svemira - kvarkovi - imaju masu. Inače, ne bi mogli formirati atome i svu vidljivu materiju. Svemir bez mase bio bi kaos kvanta raznih zračenja, koji jure brzinom svjetlosti. Ne bi bilo galaksija, zvijezda, planeta.

Ali odakle čestici svoju masu?

"Prilikom stvaranja Standardnog modela u fizici čestica - teorije koja opisuje elektromagnetske, slabe i jake interakcije svih elementarnih čestica, pojavile su se velike poteškoće. Model je sadržavao neizbježna odstupanja zbog prisutnosti masa čestica koje nisu nula", kaže Alexander Studenikin, Doktor znanosti, za RIA Novosti Profesor Odsjeka za teorijsku fiziku, Odsjek za fiziku Moskovskog državnog sveučilišta Lomonosov.

Rješenje su pronašli europski znanstvenici sredinom 1960-ih, sugerirajući da u prirodi postoji još jedno polje – skalarno. Prožima cijeli Univerzum, ali je njegov utjecaj vidljiv samo na mikrorazini. Čini se da se čestice u njemu zaglavljuju i tako dobivaju na masi.

Tajanstveno skalarno polje dobilo je ime po britanskom fizičaru Peteru Higgsu, jednom od osnivača Standardnog modela. Njegovo ime nosi i bozon, masivna čestica koja nastaje u Higgsovom polju. Otkriven je 2012. u eksperimentima na Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u. Godinu dana kasnije, Higgs je zajedno s Françoisom Englerom dobio Nobelovu nagradu.

Lov na duhove

Čestica-duh - neutrino - također je morala biti prepoznata kao masivna. To je zbog promatranja tokova neutrina sa Sunca i kozmičkih zraka, što se dugo nije moglo objasniti. Pokazalo se da se čestica tijekom kretanja može transformirati u druga stanja ili oscilirati, kako kažu fizičari. Ovo je nemoguće bez mase.

Elektronski neutrini, koji se rađaju, na primjer, u unutrašnjosti Sunca, u strogom smislu ne mogu se smatrati elementarnim česticama, jer njihova masa nema određeno značenje. Ali u kretanju svaki od njih se može smatrati superpozicija elementarnih čestica (također zvanih neutrina) s masama m1, m2, m3. Zbog razlike u brzini masenih neutrina, detektor detektira ne samo elektronske neutrine, već i neutrine drugih vrsta, poput mionskih i tau neutrina. To je posljedica miješanja i oscilacija koje je 1957. godine predvidio Bruno Maksimovič Pontecorvo“, objašnjava profesor Studenikin.

Utvrđeno je da masa neutrina ne može biti veća od dvije desetinke elektron-volta. No, točno značenje još uvijek nije poznato. Znanstvenici to rade u eksperimentu KATRIN na Tehnološkom institutu u Karlsruheu (Njemačka), pokrenutom 11. lipnja.

"Pitanje veličine i prirode mase neutrina jedno je od glavnih. Njegovo rješenje poslužit će kao temelj za daljnji razvoj naših ideja o strukturi", zaključuje profesor.

Čini se da je, u principu, sve poznato o masi, ostaje razjasniti nijanse. Ali to nije slučaj. Fizičari su izračunali da tvar, koja je podložna našem promatranju, zauzima samo pet posto mase materije u svemiru. Ostalo je hipotetska tamna tvar i energija, koji ne emitiraju ništa i stoga nisu registrirani. Od kojih se čestica sastoje ti nepoznati dijelovi svemira, kakva je njihova struktura, kako su u interakciji s našim svijetom? Sljedeće generacije znanstvenika morat će to shvatiti.