Η μάζα εξακολουθεί να είναι ένα μυστήριο για τους φυσικούς

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Η μάζα είναι μια από τις θεμελιώδεις και ταυτόχρονα μυστηριώδεις έννοιες της επιστήμης. Στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, δεν μπορεί να διαχωριστεί από την ενέργεια. Είναι μη μηδενικό ακόμη και για τα νετρίνα, και το μεγαλύτερο μέρος του βρίσκεται στο αόρατο μέρος του Σύμπαντος. Το RIA Novosti λέει τι γνωρίζουν οι φυσικοί για τη μάζα και ποια μυστικά συνδέονται με αυτήν.

Σχετικά και στοιχειώδη

Στα προάστια του Παρισιού, στα κεντρικά γραφεία του Διεθνούς Γραφείου Βαρών και Μετρών, υπάρχει ένας κύλινδρος από κράμα πλατίνας και ιριδίου βάρους ακριβώς ενός κιλού. Αυτό είναι το πρότυπο για όλο τον κόσμο. Η μάζα μπορεί να εκφραστεί με όρους όγκου και πυκνότητας και μπορεί να θεωρηθεί ότι χρησιμεύει ως μέτρο της ποσότητας ύλης στο σώμα. Αλλά οι φυσικοί που μελετούν τον μικρόκοσμο δεν είναι ικανοποιημένοι με μια τόσο απλή εξήγηση.

Φανταστείτε να μετακινείτε αυτόν τον κύλινδρο. Το ύψος του δεν ξεπερνά τα τέσσερα εκατοστά, ωστόσο, θα πρέπει να γίνει αξιοσημείωτη προσπάθεια. Θα χρειαστεί ακόμη μεγαλύτερη προσπάθεια για να μετακινήσετε, για παράδειγμα, το ψυγείο. Η ανάγκη εφαρμογής μιας δύναμης της φυσικής εξηγείται από την αδράνεια των σωμάτων και η μάζα θεωρείται ως συντελεστής που συνδέει τη δύναμη και την προκύπτουσα επιτάχυνση (F = ma).

Η μάζα χρησιμεύει ως μέτρο όχι μόνο της κίνησης, αλλά και της βαρύτητας, που κάνει τα σώματα να έλκονται μεταξύ τους (F = GMm / R2). Όταν ανεβαίνουμε στην κλίμακα, το βέλος αποκλίνει. Αυτό συμβαίνει επειδή η μάζα της Γης είναι πολύ μεγάλη και η δύναμη της βαρύτητας μας σπρώχνει κυριολεκτικά στην επιφάνεια. Σε ένα ελαφρύτερο φεγγάρι, ένα άτομο ζυγίζει έξι φορές λιγότερο.

Η βαρύτητα δεν είναι λιγότερο μυστηριώδης από τη μάζα. Η υπόθεση ότι ενώ κινούνται ορισμένα πολύ ογκώδη σώματα μπορούν να εκπέμπουν βαρυτικά κύματα επιβεβαιώθηκε πειραματικά μόνο το 2015 στον ανιχνευτή LIGO. Δύο χρόνια αργότερα, αυτή η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ.

Σύμφωνα με την αρχή της ισοδυναμίας που πρότεινε ο Γαλιλαίος και εξευγενίστηκε από τον Αϊνστάιν, η βαρυτική και η αδρανειακή μάζα είναι ίσες. Από αυτό προκύπτει ότι τα ογκώδη αντικείμενα είναι ικανά να κάμπτουν τον χωροχρόνο. Τα αστέρια και οι πλανήτες δημιουργούν βαρυτικές χοάνες γύρω τους, στις οποίες φυσικοί και τεχνητοί δορυφόροι περιστρέφονται μέχρι να πέσουν στην επιφάνεια.

Από πού προέρχεται η μάζα

Οι φυσικοί είναι πεπεισμένοι ότι τα στοιχειώδη σωματίδια πρέπει να έχουν μάζα. Αποδεικνύεται ότι το ηλεκτρόνιο και τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος - τα κουάρκ - έχουν μάζα. Διαφορετικά, δεν θα μπορούσαν να σχηματίσουν άτομα και όλη την ορατή ύλη. Ένα σύμπαν χωρίς μάζα θα ήταν ένα χάος από κβάντα διαφόρων ακτινοβολιών, που ορμούν με την ταχύτητα του φωτός. Δεν θα υπήρχαν γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες.

Αλλά από πού παίρνει το σωματίδιο τη μάζα του;

"Κατά τη δημιουργία του Καθιερωμένου Μοντέλου στη σωματιδιακή φυσική - μια θεωρία που περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές, ασθενείς και ισχυρές αλληλεπιδράσεις όλων των στοιχειωδών σωματιδίων, προέκυψαν μεγάλες δυσκολίες. Το μοντέλο περιείχε αναπόφευκτες αποκλίσεις λόγω της παρουσίας μη μηδενικών μαζών σωματιδίων", λέει ο Alexander Studenikin. Διδάκτωρ Επιστημών, στο RIA Novosti Καθηγητής του Τμήματος Θεωρητικής Φυσικής του Τμήματος Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου Lomonosov της Μόσχας.

Η λύση βρέθηκε από Ευρωπαίους επιστήμονες στα μέσα της δεκαετίας του 1960, υποδηλώνοντας ότι υπάρχει ένα άλλο πεδίο στη φύση - ένα κλιμακωτό. Διαποτίζει ολόκληρο το Σύμπαν, αλλά η επιρροή του είναι αισθητή μόνο σε μικροεπίπεδο. Τα σωματίδια φαίνεται να κολλάνε σε αυτό και έτσι να αποκτούν μάζα.

Το μυστηριώδες βαθμωτό πεδίο πήρε το όνομά του από τον Βρετανό φυσικό Peter Higgs, έναν από τους ιδρυτές του Καθιερωμένου Μοντέλου. Ένα μποζόνιο, ένα τεράστιο σωματίδιο που αναδύεται στο πεδίο Higgs, φέρει επίσης το όνομά του. Ανακαλύφθηκε το 2012 σε πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Ένα χρόνο αργότερα, ο Χιγκς τιμήθηκε με το Νόμπελ μαζί με τον Φρανσουά Ένγκλερ.

Κυνήγι φαντασμάτων

Το σωματίδιο-φάντασμα - νετρίνο - έπρεπε επίσης να αναγνωριστεί ως ογκώδες. Αυτό οφείλεται στις παρατηρήσεις των ροών νετρίνων από τον Ήλιο και τις κοσμικές ακτίνες, οι οποίες δεν μπορούσαν να εξηγηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αποδείχθηκε ότι ένα σωματίδιο είναι ικανό να μεταμορφωθεί σε άλλες καταστάσεις κατά τη διάρκεια της κίνησης ή να ταλαντωθεί, όπως λένε οι φυσικοί. Αυτό είναι αδύνατο χωρίς μάζα.

«Τα ηλεκτρονικά νετρίνα, που γεννιούνται, για παράδειγμα, στο εσωτερικό του Ήλιου, με την αυστηρή έννοια δεν μπορούν να θεωρηθούν στοιχειώδη σωματίδια, αφού η μάζα τους δεν έχει συγκεκριμένη σημασία. Αλλά στην κίνηση, καθένα από αυτά μπορεί να θεωρηθεί ως υπέρθεση στοιχειωδών σωματιδίων (που ονομάζονται επίσης νετρίνα) με μάζες m1, m2, m3. Λόγω της διαφοράς στην ταχύτητα των μάζας των νετρίνων, ο ανιχνευτής ανιχνεύει όχι μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων, αλλά και νετρίνα άλλων τύπων, όπως τα νετρίνα μυονικά και ταυ. Αυτό είναι συνέπεια της ανάμειξης και των ταλαντώσεων που προβλέφθηκαν το 1957 από τον Bruno Maksimovich Pontecorvo», εξηγεί ο καθηγητής Studenikin.

Έχει διαπιστωθεί ότι η μάζα ενός νετρίνου δεν μπορεί να υπερβαίνει τα δύο δέκατα του ηλεκτρονιοβολτ. Αλλά το ακριβές νόημα είναι ακόμα άγνωστο. Οι επιστήμονες το κάνουν αυτό στο πείραμα KATRIN στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (Γερμανία), που ξεκίνησε στις 11 Ιουνίου.

"Το ζήτημα του μεγέθους και της φύσης της μάζας των νετρίνων είναι ένα από τα κύρια. Η επίλυσή του θα χρησιμεύσει ως βάση για την περαιτέρω ανάπτυξη των ιδεών μας για τη δομή", καταλήγει ο καθηγητής.

Φαίνεται ότι, κατ 'αρχήν, όλα είναι γνωστά για τη μάζα, μένει να διευκρινιστούν οι αποχρώσεις. Αλλά αυτό δεν ισχύει. Οι φυσικοί έχουν υπολογίσει ότι η ύλη, η οποία είναι επιδεκτική στην παρατήρησή μας, καταλαμβάνει μόνο το πέντε τοις εκατό της μάζας της ύλης στο σύμπαν. Τα υπόλοιπα είναι υποθετική σκοτεινή ύλη και ενέργεια, που δεν εκπέμπουν τίποτα και άρα δεν καταγράφονται. Από ποια σωματίδια αποτελούνται αυτά τα άγνωστα μέρη του σύμπαντος, ποια είναι η δομή τους, πώς αλληλεπιδρούν με τον κόσμο μας; Οι επόμενες γενιές επιστημόνων θα πρέπει να το καταλάβουν.