Massa on edelleen mysteeri fyysikoille

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Massa on yksi tieteen peruskäsitteistä ja samalla mysteerikäsitteistä. Alkuainehiukkasten maailmassa sitä ei voida erottaa energiasta. Se on nollasta poikkeava jopa neutriinoille, ja suurin osa siitä sijaitsee universumin näkymättömässä osassa. RIA Novosti kertoo, mitä fyysikot tietävät massasta ja mitä salaisuuksia siihen liittyy.

Suhteellisen ja alkeellista

Pariisin esikaupunkialueella Kansainvälisen paino- ja mittatoimiston päämajassa on platinan ja iridiumin seoksesta valmistettu sylinteri, joka painaa tasan kilon. Tämä on standardi koko maailmalle. Massa voidaan ilmaista tilavuudella ja tiheydellä ja voidaan katsoa, että se toimii kehon aineen määrän mittana. Mutta mikromaailmaa tutkivat fyysikot eivät ole tyytyväisiä näin yksinkertaiseen selitykseen.

Kuvittele liikuttavan tätä sylinteriä. Sen korkeus ei ylitä neljää senttimetriä; siitä huolimatta on tehtävä huomattava vaivaa. Esimerkiksi jääkaapin siirtäminen vaatii vielä enemmän vaivaa. Fysiikan voiman käytön tarve selittyy kappaleiden inertialla, ja massaa pidetään voiman ja tuloksena olevan kiihtyvyyden (F = ma) yhdistävänä kertoimena.

Massa toimii paitsi liikkeen, myös painovoiman mittana, mikä saa kappaleet vetämään toisiaan puoleensa (F = GMm / R2). Kun astumme asteikolle, nuoli poikkeaa. Tämä johtuu siitä, että Maan massa on erittäin suuri ja painovoima kirjaimellisesti työntää meidät pintaan. Kevyemmällä kuulla ihminen painaa kuusi kertaa vähemmän.

Painovoima ei ole vähemmän salaperäinen kuin massa. Oletus, että jotkin erittäin massiiviset kappaleet voivat liikkuessaan lähettää gravitaatioaaltoja, vahvistettiin kokeellisesti vasta vuonna 2015 LIGO-ilmaisimella. Kaksi vuotta myöhemmin tämä löytö palkittiin Nobel-palkinnolla.

Galileon ehdottaman ja Einsteinin jalostaman ekvivalenssiperiaatteen mukaan gravitaatio- ja inertiamassat ovat yhtä suuret. Tästä seuraa, että massiiviset esineet pystyvät taivuttamaan aika-avaruutta. Tähdet ja planeetat luovat ympärilleen gravitaatiosuppiloita, joissa luonnolliset ja keinotekoiset satelliitit pyörivät, kunnes ne putoavat pintaan.

Mistä massa tulee

Fyysikot ovat vakuuttuneita siitä, että alkuainehiukkasilla on oltava massa. On todistettu, että elektronilla ja universumin rakennuspalikoilla - kvarkeilla - on massa. Muuten ne eivät voisi muodostaa atomeja ja kaikkea näkyvää ainetta. Maailmankaikkeus ilman massaa olisi erilaisten säteilyn kvanttien kaaos, joka ryntää valon nopeudella. Ei olisi galakseja, ei tähtiä, ei planeettoja.

Mutta mistä hiukkanen saa massansa?

"Kun luotiin hiukkasfysiikan standardimallia - teoriaa, joka kuvaa kaikkien alkuainehiukkasten sähkömagneettista, heikkoa ja voimakasta vuorovaikutusta, syntyi suuria vaikeuksia. Malli sisälsi väistämättömiä eroja, jotka johtuivat nollasta poikkeavien hiukkasmassojen läsnäolosta", sanoo Alexander Studenenikin. Tieteiden tohtori, RIA Novosti Teoreettisen fysiikan laitoksen professori, fysiikan laitos, Lomonosov Moskovan valtionyliopisto.

Eurooppalaiset tutkijat löysivät ratkaisun 1960-luvun puolivälissä, mikä viittaa siihen, että luonnossa on toinenkin kenttä - skalaari. Se läpäisee koko universumin, mutta sen vaikutus on havaittavissa vain mikrotasolla. Hiukkaset näyttävät juuttuvan siihen ja saavan siten massaa.

Salaperäinen skalaarikenttä on nimetty brittiläisen fyysikon Peter Higgsin mukaan, joka oli yksi standardimallin perustajista. Bosoni, Higgsin kentässä nouseva massiivinen hiukkanen, kantaa myös hänen nimeään. Se löydettiin vuonna 2012 CERNin Large Hadron Collider -kokeissa. Vuotta myöhemmin Higgs sai Nobel-palkinnon yhdessä François Englerin kanssa.

Haamujen metsästys

Hiukkas-haamu - neutrino - oli myös tunnustettava massiiviseksi. Tämä johtuu Auringon ja kosmisten säteiden neutriinovirtojen havainnoista, joita ei pystytty selittämään pitkään aikaan. Kävi ilmi, että hiukkanen pystyy muuttumaan muihin tiloihin liikkeen aikana tai värähtelemään, kuten fyysikot sanovat. Tämä on mahdotonta ilman massaa.

"Elektronisia neutriinoja, jotka syntyvät esimerkiksi Auringon sisätiloissa, ei suppeassa mielessä voida pitää alkuainehiukkasina, koska niiden massalla ei ole tarkkaa merkitystä. Mutta liikkeessä jokaista niistä voidaan pitää hiukkasena. alkuainehiukkasten (kutsutaan myös neutriinoiksi) superpositio, joiden massa on m1, m2, m3 Massaneutriinojen nopeuseron vuoksi ilmaisin havaitsee elektronineutriinojen lisäksi myös muun tyyppiset neutriinot, kuten myoniset ja tau-neutriinot. Tämä on seurausta Bruno Maksimovich Pontecorvon vuonna 1957 ennustamasta sekoittumisesta ja värähtelyistä", selittää professori Studenikin.

On todettu, että neutriinon massa ei voi ylittää kahta kymmenesosaa elektronivoltista. Mutta tarkka merkitys on vielä tuntematon. Tutkijat tekevät tätä KATRIN-kokeessa Karlsruhen teknillisessä korkeakoulussa (Saksa), joka käynnistettiin 11. kesäkuuta.

"Kysymys neutriinomassan suuruudesta ja luonteesta on yksi keskeisistä. Sen ratkaisu toimii pohjana rakenteesta näkemyksemme jatkokehittämiselle", professori päättää.

Näyttää siltä, että periaatteessa kaikki tiedetään massasta, on vielä selventää vivahteita. Mutta näin ei ole. Fyysikot ovat laskeneet, että havainnointiimme soveltuva aine vie vain viisi prosenttia maailmankaikkeuden aineen massasta. Loput ovat hypoteettista pimeää ainetta ja energiaa, jotka eivät säteile mitään ja siksi niitä ei rekisteröidä. Mistä hiukkasista nämä tuntemattomat universumin osat koostuvat, mikä on niiden rakenne, miten ne ovat vuorovaikutuksessa maailmamme kanssa? Seuraavien tiedemiesten sukupolvien on selvitettävä se.