Massat ovat yksi tieteen perustavanlaatuisista ja samalla salaperäisistä käsitteistä. Alkuainehiukkasten maailmassa sitä ei voida erottaa energiasta. Se on nolla jopa neutriinoille, ja suurin osa siitä sijaitsee maailmankaikkeuden näkymättömässä osassa. RIA Novosti kertoo mitä fyysikot tietävät massasta ja mitä salaisuuksia siihen liittyy.
Suhteellisesti ja yksinkertainen
Pariisin esikaupunkialueella, Kansainvälisen paino- ja mittaustoimiston pääkonttorissa, on platina- ja iridiumseoksesta valmistettu sylinteri, joka painaa tarkalleen yhden kilogramman. Tämä on standardi koko maailmalle. Massa voidaan ilmaista tilavuutena ja tiheytenä, ja voidaan katsoa, että se toimii kehon aineen määränä. Mutta mikromaailmaa opiskelevat fyysikot eivät ole tyytyväisiä sellaiseen yksinkertaiseen selitykseen.
Kuvittele tämän sylinterin liikuttamista. Sen korkeus ei ylitä neljää senttiä, mutta silti on tehtävä huomattavia ponnistuksia. Esimerkiksi jääkaapin siirtäminen vie vielä enemmän vaivaa. Fysiikan voiman soveltamisen tarve selitetään kappaleiden inertillä, ja massaa pidetään kertoimena, joka yhdistää voiman ja siitä johtuvan kiihtyvyyden (F = ma).
Massa ei ole vain liikkeen, vaan myös painovoiman mitta, joka saa kehot houkuttelemaan toisiaan (F = GMm / R2). Kun pääsemme asteikolle, nuoli taipuu. Tämä johtuu siitä, että maapallon massa on erittäin suuri, ja painovoima työntää kirjaimellisesti meidät pintaan. Kevyemmällä kuulla ihminen painaa kuusi kertaa vähemmän.
Painovoima ei ole yhtä salaperäinen kuin massa. Oletus, että jotkut erittäin massiiviset elimet voivat emittoida gravitaatioaaltoja liikkuessaan, vahvistettiin kokeellisesti vasta vuonna 2015 LIGO-ilmaisimessa. Kaksi vuotta myöhemmin tämä löytö sai Nobel-palkinnon.
Galileon ehdottaman ja Einsteinin tarkentaman vastaavuusperiaatteen mukaan painovoima- ja inertiaalimassat ovat yhtä suuret. Tästä seuraa, että massiiviset esineet kykenevät taivuttamaan avaruus-aikaa. Tähdet ja planeetat luovat ympärilleen gravitaatiosuppiloja, joissa luonnolliset ja keinotekoiset satelliitit pyörivät, kunnes ne putoavat pinnalle.
Mainosvideo:
Quark on vuorovaikutuksessa Higgs-kentän / Illustration RIA Novosti / Alina Polyanina kanssa.
Mistä massa tulee?
Fyysikot ovat vakuuttuneita siitä, että alkuainehiukkasilla on oltava massa. On osoitettu, että elektronilla ja maailmankaikkeuden rakennuspalikoilla - kvarkeilla - on massa. Muuten ne eivät pystyneet muodostamaan atomeja ja kaikkea näkyvää ainetta. Massaton maailmankaikkeus olisi kaaos eri säteilyn kvantteja, jotka kiiruhtavat valon nopeudella. Ei olisi galakseja, ei tähtiä, eikä planeettoja.
Mutta mistä massa tulee?
”Kun muodostettiin vakiomalli hiukkasfysiikassa - teoriassa, joka kuvaa kaikkien elementtihiukkasten sähkömagneettista, heikkoa ja vahvaa vuorovaikutusta, syntyi suuria vaikeuksia. Malli sisälsi väistämättömiä eroja, jotka johtuvat hiukkasten sisältämättömistä massoista”, sanoo RIA Novostille tiedetekijä Alexander Studenikin, Moskovan Lomonosovin yliopiston fysiikan laitoksen teoreettisen fysiikan laitoksen professori.
Eurooppalaiset tutkijat löysivät ratkaisun 1960-luvun puolivälissä, mikä viittaa siihen, että luonnossa on toinen kenttä - skalaari. Se tunkeutuu koko maailmankaikkeuteen, mutta sen vaikutus on havaittavissa vain mikrotasolla. Hiukkaset näyttävät juuttuneen siihen ja siten saavan massaa.
Salaperäinen skalaarikenttä on nimetty brittiläisen fyysikon Peter Higgsin mukaan, joka on yksi standardimallin perustajista. Boson on myös nimetty hänen nimensä - massiivinen hiukkas, joka syntyy Higgs-kentässä. Se löydettiin vuonna 2012 kokeiluissa CERN: n Large Hadron Collider -laitteessa. Vuotta myöhemmin Higgs sai Nobel-palkinnon yhdessä François Englerin kanssa.
Ghost metsästys
Aavepartikkeli - neutriino - oli myös tunnustettava massiiviseksi. Tämä johtuu auringon ja kosmisten säteilyjen havaitsemista neutriinovuoista, joita ei pitkään voinut selittää. Kävi ilmi, että hiukkanen pystyy muuttumaan muihin tiloihin liikkumisen aikana tai värähtelemään, kuten fyysikot sanovat. Tämä on mahdotonta ilman massaa.
”Esimerkiksi auringon sisäpuolella syntyviä elektronisia neutriinoja ei suinkaan voida pitää elementtihiukkasina, koska niiden massalla ei ole selvää merkitystä. Mutta liikkeessä kutakin niistä voidaan pitää alkuainepartikkelien (joita kutsutaan myös neutrinoiksi) superpositioksi, joiden massat ovat m1, m2, m3. Massaneutronien nopeuseron vuoksi ilmaisin ei havaitse vain elektronineutriinoja, vaan myös muun tyyppisiä neutriinoja, esimerkiksi muoni- ja tau-neutriinoja. Tämä on seurausta sekoituksista ja värähtelyistä, joita Bruno Maksimovich Pontecorvo ennusti vuonna 1957”, professori Studenikin selittää.
On todettu, että neutriinon massa ei voi ylittää kahta kymmenesosaa elektronivoltista. Mutta tarkka merkitys on edelleen tuntematon. Tutkijat tekevät tämän KATRIN-kokeessa Karlsruhen teknillisessä instituutissa (Saksa), joka käynnistettiin 11. kesäkuuta.
”Kysymys neutriinomassan suuruudesta ja luonteesta on yksi tärkeimmistä. Hänen päätöksensä on perusta rakenteen ymmärtämisen edelleen kehittämiselle , professori toteaa lopuksi.
Näyttää siltä, että periaatteessa kaikki on tiedossa massa, on vielä selvittää vivahteet. Mutta näin ei ole. Fyysikot ovat laskeneet, että havaitsemiemme miehitys vie vain viisi prosenttia maailmankaikkeuden aineen massasta. Loppuosa on hypoteettista pimeää ainetta ja energiaa, jotka eivät säteile mitään eikä niitä siksi rekisteröidä. Mistä hiukkasista nämä universumin tuntemattomat osat koostuvat, mikä on niiden rakenne, kuinka ne ovat vuorovaikutuksessa maailman kanssa? Seuraavien tutkijoiden sukupolvien on selvitettävä se.
Tatjana Pichugina