Masa je za fizike še vedno skrivnost

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Maša je eden temeljnih in hkrati skrivnostnih pojmov v znanosti. V svetu elementarnih delcev je ni mogoče ločiti od energije. Tudi za nevtrine ni nič, večina pa se nahaja v nevidnem delu vesolja. RIA Novosti pove, kaj fiziki vedo o masi in kakšne skrivnosti so z njo povezane.

Relativno in elementarno

V predmestju Pariza na sedežu Mednarodnega urada za uteži in mere stoji jeklenka iz zlitine platine in iridija, ki tehta natanko en kilogram. To je standard za ves svet. Maso lahko izrazimo z prostornino in gostoto in lahko štejemo, da služi kot merilo količine snovi v telesu. Toda fiziki, ki preučujejo mikrosvet, niso zadovoljni s tako preprosto razlago.

Predstavljajte si premikanje tega cilindra. Njegova višina ne presega štirih centimetrov, kljub temu se bo treba precej potruditi. Za premikanje na primer hladilnika bo potrebno še več truda. Potreba po uporabi sile fizike je razložena z vztrajnostjo teles, masa pa se obravnava kot koeficient, ki povezuje silo in posledično pospešek (F = ma).

Masa služi kot merilo ne le gibanja, ampak tudi gravitacije, zaradi katere se telesa privlačijo (F = GMm / R2). Ko pridemo na lestvico, puščica odstopi. To je zato, ker je masa Zemlje zelo velika, sila gravitacije pa nas dobesedno potisne na površje. Na svetlejši luni človek tehta šestkrat manj.

Gravitacija ni nič manj skrivnostna kot masa. Predpostavka, da lahko nekatera zelo masivna telesa med premikanjem oddajajo gravitacijske valove, je bila eksperimentalno potrjena šele leta 2015 na detektorju LIGO. Dve leti pozneje je bilo to odkritje nagrajeno z Nobelovo nagrado.

Po načelu enakovrednosti, ki ga je predlagal Galileo in izpopolnil Einstein, sta gravitacijska in inercijska masa enaki. Iz tega sledi, da so masivni predmeti sposobni upogibati prostor-čas. Zvezde in planeti okoli sebe ustvarjajo gravitacijske lijake, v katerih se naravni in umetni sateliti vrtijo, dokler ne padejo na površje.

Od kod prihaja masa

Fiziki so prepričani, da morajo imeti osnovni delci maso. Dokazano je, da imajo elektron in gradniki vesolja - kvarki - maso. V nasprotnem primeru ne bi mogli tvoriti atomov in vse vidne snovi. Vesolje brez mase bi bilo kaos kvantov različnih sevanj, ki hitijo s svetlobno hitrostjo. Ne bi bilo galaksij, zvezd, planetov.

Toda od kod delec dobi svojo maso?

"Pri ustvarjanju Standardnega modela v fiziki delcev - teorije, ki opisuje elektromagnetne, šibke in močne interakcije vseh elementarnih delcev, so se pojavile velike težave. Model je vseboval neizogibna razhajanja zaradi prisotnosti neničelnih mas delcev," pravi Alexander Studenikin, Doktor znanosti, za RIA Novosti Profesor Oddelka za teoretično fiziko Oddelka za fiziko Moskovske državne univerze Lomonosov.

Rešitev so sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja našli evropski znanstveniki, ki nakazujejo, da v naravi obstaja še eno področje – skalarno. Prežema celotno Vesolje, vendar je njen vpliv opazen le na mikro ravni. Zdi se, da se delci zataknejo vanjo in tako pridobijo na masi.

Skrivnostno skalarno polje je bilo poimenovano po britanskem fiziku Petru Higgsu, enem od ustanoviteljev standardnega modela. Njegovo ime nosi tudi bozon, ogromen delec, ki nastane v Higgsovem polju. Odkrili so ga leta 2012 v poskusih na velikem hadronskem trkalniku v CERN-u. Leto pozneje je bil Higgs skupaj s Françoisom Englerjem nagrajen z Nobelovo nagrado.

Lov na duhove

Delce-duh - nevtrino - je bilo prav tako treba prepoznati kot masivno. To je posledica opazovanj nevtrinskih tokov iz Sonca in kozmičnih žarkov, ki jih dolgo ni bilo mogoče razložiti. Izkazalo se je, da se delec med gibanjem lahko spremeni v druga stanja ali niha, kot pravijo fiziki. Brez mase je to nemogoče.

Elektronskih nevtrinov, ki se na primer rodijo v notranjosti Sonca, v ožjem pomenu ne moremo šteti za elementarne delce, saj njihova masa nima določenega pomena. Toda v gibanju je vsak od njih mogoče obravnavati kot superpozicija elementarnih delcev (imenovanih tudi nevtrinov) z masami m1, m2, m3. Zaradi razlike v hitrosti masnih nevtrinov detektor ne zazna samo elektronskih nevtrinov, ampak tudi nevtrinov drugih vrst, kot so mionski in tau nevtrini. To je posledica mešanja in nihanj, ki jih je leta 1957 napovedal Bruno Maksimovič Pontecorvo,« pojasnjuje profesor Studenikin.

Ugotovljeno je bilo, da masa nevtrina ne sme presegati dveh desetin elektronvolta. Toda natančen pomen še vedno ni znan. Znanstveniki to počnejo v eksperimentu KATRIN na Tehnološkem inštitutu Karlsruhe (Nemčija), ki se je začel 11. junija.

"Vprašanje o velikosti in naravi mase nevtrina je eno glavnih. Njegova rešitev bo osnova za nadaljnji razvoj naših idej o strukturi," zaključuje profesor.

Zdi se, da je načeloma vse znano o masi, treba je še razjasniti nianse. Vendar temu ni tako. Fiziki so izračunali, da snov, ki je primerna za naše opazovanje, zaseda le pet odstotkov mase snovi v vesolju. Ostalo sta hipotetična temna snov in energija, ki ne oddajata ničesar in zato nista registrirana. Iz katerih delcev so sestavljeni ti neznani deli vesolja, kakšna je njihova struktura, kako vplivajo na naš svet? To bodo morale ugotoviti naslednje generacije znanstvenikov.