Масата все още е загадка за физиците

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Масата е едно от основните и в същото време мистериозни понятия в науката. В света на елементарните частици той не може да бъде отделен от енергията. Той е различен от нула дори за неутрино и по-голямата част от него се намира в невидимата част на Вселената. РИА Новости разказва какво знаят физиците за масата и какви тайни са свързани с нея.

Относително и елементарно

В предградията на Париж, в централата на Международното бюро за мерки и теглилки, има цилиндър, изработен от сплав от платина и иридий, тежащ точно един килограм. Това е стандартът за целия свят. Масата може да бъде изразена чрез обем и плътност и може да се счита, че тя служи като мярка за количеството материя в тялото. Но физиците, изучаващи микросвета, не са доволни от толкова просто обяснение.

Представете си да преместите този цилиндър. Височината му не надвишава четири сантиметра, но ще трябва да се положат забележими усилия. Ще са необходими още повече усилия, за да преместите, например, хладилника. Необходимостта от прилагане на сила на физиката се обяснява с инерцията на телата, а масата се разглежда като коефициент, свързващ силата и полученото ускорение (F = ma).

Масата служи като мярка не само за движението, но и за гравитацията, която кара телата да се привличат едно друго (F = GMm / R2). Когато се качим на скалата, стрелката се отклонява. Това е така, защото масата на Земята е много голяма и силата на гравитацията буквално ни изтласква на повърхността. При по-светла луна човек тежи шест пъти по-малко.

Гравитацията е не по-малко загадъчна от масата. Предположението, че докато се движат, някои много масивни тела могат да излъчват гравитационни вълни, беше експериментално потвърдено едва през 2015 г. на детектора LIGO. Две години по-късно това откритие е удостоено с Нобелова награда.

Според принципа на еквивалентност, предложен от Галилей и усъвършенстван от Айнщайн, гравитационната и инерционната маси са равни. От това следва, че масивните обекти са способни да огъват пространство-времето. Звездите и планетите създават гравитационни фунии около себе си, в които естествени и изкуствени спътници се въртят, докато паднат на повърхността.

Откъде идва масата

Физиците са убедени, че елементарните частици трябва да имат маса. Доказано е, че електронът и градивните елементи на Вселената - кварките - имат маса. В противен случай те не биха могли да образуват атоми и цялата видима материя. Вселена без маса би представлявала хаос от кванти от различни излъчвания, бързащи със скоростта на светлината. Нямаше да има нито галактики, нито звезди, нито планети.

Но откъде частицата получава масата си?

"При създаването на Стандартния модел във физиката на елементарните частици - теория, която описва електромагнитните, слабите и силните взаимодействия на всички елементарни частици, възникнаха големи трудности. Моделът съдържаше неизбежни отклонения поради наличието на ненулеви маси на частици", казва Александър Студеникин, Доктор на науките на РИА Новости Професор в катедрата по теоретична физика, катедра физика, Московски държавен университет „Ломоносов“.

Решението е намерено от европейски учени в средата на 60-те години на миналия век, което предполага, че в природата има и друго поле - скаларно. Той пронизва цялата Вселена, но влиянието му се забелязва само на микрониво. Частиците сякаш се забиват в него и по този начин набират маса.

Мистериозното скаларно поле е кръстено на британския физик Питър Хигс, един от основателите на Стандартния модел. Бозонът, масивна частица, възникваща в полето на Хигс, също носи неговото име. Той е открит през 2012 г. при експерименти в Големия адронен колайдер в ЦЕРН. Година по-късно Хигс е удостоен с Нобелова награда заедно с Франсоа Енглер.

Лов на духове

Частицата-призрак - неутрино - също трябваше да бъде призната за масивна. Това се дължи на наблюденията на неутрино потоци от Слънцето и космическите лъчи, които дълго време не можеха да бъдат обяснени. Оказа се, че една частица е способна да се трансформира в други състояния по време на движение или да осцилира, както казват физиците. Това е невъзможно без маса.

„Електронните неутрино, които се раждат например във вътрешността на Слънцето, в строгия смисъл не могат да се считат за елементарни частици, тъй като тяхната маса няма определено значение. Но в движение всяко от тях може да се разглежда като суперпозиция на елементарни частици (наричани още неутрино) с маси m1, m2, m3. Поради разликата в скоростта на масовите неутрино, детекторът открива не само електронни неутрино, но и неутрино от друг тип, като мюонни и тау неутрино. Това е следствие от смесване и осцилации, предсказани през 1957 г. от Бруно Максимович Понтекорво“, обяснява професор Студеникин.

Установено е, че масата на неутрино не може да надвишава две десети от електрон волта. Но точното значение все още не е известно. Учените правят това в експеримента KATRIN в Технологичния институт в Карлсруе (Германия), стартирал на 11 юни.

"Въпросът за големината и природата на неутрината маса е един от основните. Неговото решение ще послужи като основа за по-нататъшното развитие на нашите представи за структурата", заключава професорът.

Изглежда, че по принцип всичко е известно за масата, остава да се изяснят нюансите. Но това не е така. Физиците са изчислили, че материята, която е податлива на нашето наблюдение, заема само пет процента от масата на материята във Вселената. Останалото е хипотетична тъмна материя и енергия, които не излъчват нищо и затова не се регистрират. От какви частици се състоят тези непознати части на Вселената, каква е тяхната структура, как взаимодействат с нашия свят? Следващите поколения учени ще трябва да го разберат.