Masa je jedan od temeljnih i istodobno tajanstvenih pojmova u znanosti. U svijetu elementarnih čestica ne može se odvojiti od energije. To je 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 izrađen od legure platine i iridija, težine točno jedan kilogram. To je standard za cijeli svijet. Masa se može izraziti volumenom i gustoćom i može se smatrati da služi kao mjera količine materije u tijelu. No, fizičari koji proučavaju mikrosvijet nisu zadovoljni tako jednostavnim objašnjenjem.
Zamislite pomicanje ovog cilindra. Njegova visina ne prelazi četiri centimetra, ipak, treba uložiti vidljiv napor. Trebat će još više napora za pomicanje, na primjer, hladnjaka. 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, nego i gravitacije, koja prisiljava tijela da privlače jedno drugo (F = GMm / R2). Kad stignemo na ljestvicu, strelica se pomiče. 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 manje tajanstvena od mase. Pretpostavka da neka vrlo masivna tijela mogu emitirati gravitacijske valove prilikom kretanja eksperimentalno je potvrđena tek 2015. na LIGO detektoru. Dvije godine kasnije za ovo otkriće dobio je Nobelovu nagradu.
Prema principu ekvivalencije koji je predložio Galileo i rafinirao Einstein, gravitacijske i inercijalne mase su jednake. Iz toga proizlazi da su masivni predmeti sposobni savijati prostor-vrijeme. Zvijezde i planeti stvaraju gravitacijske lijevke oko sebe, u kojima se prirodni i umjetni sateliti vrte dok ne padnu na površinu.
Promotivni video:
Quark je u interakciji s Higgsovim poljem / Ilustracija RIA Novosti / Alina Polyanina.
Odakle dolazi masa
Fizičari su uvjereni da elementarne čestice moraju imati masu. Dokazano je da elektroni i građevni blokovi svemira - kvarkovi - imaju masu. U suprotnom, nisu mogli formirati atome i svu vidljivu materiju. Svemir bez masi bio bi kaos kvanta raznog zračenja, koji bi jurio brzinom svjetlosti. Ne bi bilo galaksija, zvijezda, planeta.
Ali odakle dolazi masa?
„Prilikom stvaranja Standardnog modela u fizici čestica - teorije koja opisuje elektromagnetsku, slabu i jaku interakciju svih elementarnih čestica, nastale su velike poteškoće. Model je sadržavao neizbježne razlike između prisutnosti nečeljenih masa u česticama “, kaže Alexander Studenikin, doktor znanosti, profesor odjela za teorijsku fiziku Odjela za fiziku Moskovskog državnog sveučilišta Lomonosov, prenosi RIA Novosti.
Rješenje su europski znanstvenici pronašli sredinom 1960-ih, sugerirajući da u prirodi postoji još jedno polje - skalarno. On prožima cijeli Svemir, ali njegov je utjecaj uočljiv samo na mikro razini. Čini se da se čestice zaglave u njoj i na taj način dobivaju masu.
Tajanstveno skalarno polje dobilo je ime po britanskom fizičaru Peteru Higsu, jednom od osnivača Standardnog modela. Po njemu je nazvan i bozon - masivna čestica koja nastaje u Higgsovom polju. Otkrivena je 2012. godine u eksperimentima na velikom hadronskom sudaraču u CERN-u. Godinu dana kasnije, Higgs je dobio Nobelovu nagradu zajedno s Françoisom Englerom.
Lov na duhove
Duhovna čestica - neutrino - također je morala biti prepoznata kao masivna. To je zbog opažanja neutrinskih tokova iz Sunca i kozmičkih zraka, što se dugo vremena nije moglo objasniti. Pokazalo se da je čestica sposobna transformirati se u druga stanja tijekom kretanja ili oscilirati, kako to fizičari kažu. To je nemoguće bez mase.
„Elektronski neutrini, rođeni, na primjer, u unutrašnjosti Sunca, u strogom se smislu ne mogu smatrati elementarnim česticama, jer njihova masa nema određeno značenje. No, u pokretu se svako od njih može smatrati superpozicijom elementarnih čestica (koje se nazivaju i neutrini) s masama m1, m2, m3. Zbog razlike u brzini masnih neutrina, detektor detektira ne samo elektronske neutrine, već i neutrine drugih vrsta, na primjer, muonske i tau neutrine. To je posljedica miješanja i oscilacija koje je 1957. predvidio Bruno Maksimovich Pontecorvo”, objašnjava profesor Studenikin.
Utvrđeno je da masa neutrina ne može biti veća od dvije desetine elektron-volta. Ali točno značenje još uvijek nije poznato. Znanstvenici to rade u pokusu KATRIN na Tehnološkom institutu Karlsruhe (Njemačka), pokrenutom 11. lipnja.
"Pitanje veličine i prirode neutrinske mase jedno je od glavnih pitanja. Njegova odluka poslužit će kao osnova za daljnji razvoj našeg razumijevanja strukture ", - zaključuje profesor.
Čini se da se u principu sve zna o masi, ostaje da razjasnimo nijanse. Ali to nije slučaj. Fizičari su izračunali da tvar koju promatramo zauzima samo pet posto mase materije u svemiru. Ostalo su hipotetičke tamne materije i energije, koje ništa ne emitiraju i zbog toga nisu registrirane. Od kojih se čestica sastoje ti nepoznati dijelovi svemira, kakva je njihova struktura, kako stupaju u interakciju s našim svijetom? Sljedeće generacije znanstvenika morat će to shvatiti.
Tatjana Pichugina