Masa je i dalje misterija za fizičare

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Masa je jedan od temeljnih i u isto vrijeme misteriozni koncept nauke. 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 Univerzuma. RIA Novosti govore šta fizičari znaju o masi i koje su tajne povezane sa njom.

Relativno i elementarno

U predgrađu Pariza, u sjedištu Međunarodnog biroa za mjere i utege, nalazi se cilindar od legure platine i iridija težak tačno jedan kilogram. Ovo je standard za cijeli svijet. Masa se može izraziti u vidu zapremine i gustine i može se smatrati da služi kao mjera količine materije u tijelu. Ali fizičari koji proučavaju mikrosvijet nisu zadovoljni tako jednostavnim objašnjenjem.

Zamislite da pomerate ovaj cilindar. Njegova visina ne prelazi četiri centimetra, ali će se ipak morati uložiti primjetan napor. Trebat će još više truda da se pomakne, na primjer, frižider. Potreba za primjenom sile fizike objašnjava se inercijom tijela, a masa se smatra koeficijentom koji povezuje silu i rezultirajuće ubrzanje (F = ma).

Masa služi kao mjera ne samo kretanja, već i gravitacije, zbog čega se tijela međusobno privlače (F = GMm / R2). Kada dođemo na skalu, strelica odstupa. To je zato što je masa Zemlje veoma velika, a sila gravitacije nas bukvalno gura na površinu. Na svjetlijem mjesecu, osoba teži šest puta manje.

Gravitacija nije ništa manje misteriozna od mase. Pretpostavka da pri kretanju neka vrlo masivna tijela mogu emitovati 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 Ajnštajn, gravitaciona i inercijalna masa su jednake. Iz ovoga slijedi da su masivni objekti sposobni savijati prostor-vrijeme. Zvijezde i planete oko sebe stvaraju gravitacijske lijeve u kojima se prirodni i umjetni sateliti okreću dok ne ispadnu na površinu.

Odakle dolazi masa

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

Ali odakle čestici svoju masu?

"Prilikom kreiranja Standardnog modela u fizici čestica - teorije koja opisuje elektromagnetne, slabe i jake interakcije svih elementarnih čestica, pojavile su se velike poteškoće. Model je sadržavao neizbježna odstupanja zbog prisustva masa čestica koje nije nula", kaže Aleksandar Studenikin, Doktor nauka, za RIA Novosti Profesor Odeljenja za teorijsku fiziku, Odsek za fiziku Moskovskog državnog univerziteta Lomonosov.

Rješenje su pronašli evropski naučnici sredinom 1960-ih, sugerirajući da u prirodi postoji još jedno polje – skalarno. Ona prožima ceo Univerzum, ali je njen uticaj primetan samo na mikro nivou. Čini se da se čestice zaglavljuju u njemu i tako dobijaju na masi.

Misteriozno 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 Higsovom polju. Otkriven je 2012. u eksperimentima na Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u. Godinu dana kasnije, Higs je zajedno sa Fransoisom Englerom dobio Nobelovu nagradu.

Lov na duhove

Čestica-duh - neutrino - takođe je morala biti prepoznata kao masivna. To je zbog posmatranja neutrina fluksa sa Sunca i kosmičkih zraka, što se dugo nije moglo objasniti. Ispostavilo se da je čestica sposobna da se tokom kretanja transformiše u druga stanja ili osciluje, 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 (takođe zvanih neutrina) sa masama m1, m2, m3. Zbog razlike u brzini masenih neutrina, detektor detektuje ne samo elektronske neutrine, već i neutrine drugih tipova, kao što su mionski i tau neutrini. To je posledica mešanja i oscilacija koje je 1957. godine predvideo Bruno Maksimovič Pontekorvo“, objašnjava profesor Studenikin.

Utvrđeno je da masa neutrina ne može biti veća od dvije desetine elektron-volta. Ali tačno značenje je još uvijek nepoznato. Naučnici to rade u eksperimentu KATRIN na Tehnološkom institutu u Karlsruheu (Njemačka), pokrenutom 11. juna.

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

Čini se da se, u principu, sve zna o masi, ostaje da se razjasne nijanse. Ali to nije slučaj. Fizičari su izračunali da materija, koja je podložna našem posmatranju, zauzima samo pet posto mase materije u svemiru. Ostalo je hipotetička tamna materija i energija, koji ništa ne emituju i stoga nisu registrovani. Od kojih se čestica sastoje ovi nepoznati dijelovi svemira, kakva je njihova struktura, kako stupaju u interakciju s našim svijetom? Sljedeće generacije naučnika to će morati shvatiti.