Masse er en af de grundlæggende og på samme tid mystiske begreber inden for videnskab. I en verden af elementære partikler kan den ikke adskilles fra energi. Det er ikke ens for neutrinoer, og det meste er placeret i den usynlige del af universet. RIA Novosti fortæller, hvad fysikere ved om masse, og hvilke hemmeligheder der er forbundet med den.
Relativt og elementært
I forstæderne i Paris i hovedkvarteret for Det Internationale Bureau for Vægter og Mål er der en cylinder lavet af en legering af platin og iridium, der vejer nøjagtigt et kilogram. Dette er standarden for hele verden. Masse kan udtrykkes med hensyn til volumen og densitet, og det kan overvejes, at den fungerer som et mål for mængden af stof i kroppen. Men fysikere, der studerer mikroverdenen, er ikke tilfredse med en så simpel forklaring.
Forestil dig at bevæge denne cylinder. Dets højde overstiger ikke fire centimeter, og alligevel skal en markant indsats gøres. Det vil kræve endnu større anstrengelse at flytte for eksempel et køleskab. Behovet for at anvende fysikens kraft forklares med inerti af legemer, og masse betragtes som en koefficient, der forbinder kraften og den resulterende acceleration (F = ma).
Masse tjener som et mål ikke kun for bevægelse, men også for tyngdekraft, der tvinger kroppe til at tiltrække hinanden (F = GMm / R2). Når vi kommer på skalaen, afbøjes pilen. Dette skyldes, at jordens masse er meget stor, og tyngdekraften bogstaveligt skubber os til overfladen. På en lysere måne vejer en person seks gange mindre.
Tyngdekraften er ikke mindre mystisk end masse. Antagelsen om, at nogle meget massive kroppe kan udsende tyngdekraftsbølger, når de bevægede sig, blev først eksperimentelt bekræftet i 2015 ved LIGO-detektoren. To år senere blev denne opdagelse tildelt Nobelprisen.
I henhold til ækvivalensprincippet foreslået af Galileo og raffineret af Einstein, er gravitations- og inertialmasser lige. Det følger heraf, at massive genstande er i stand til at bøje rum-tid. Stjerner og planeter skaber gravitationstrakter omkring dem, hvor naturlige og kunstige satellitter kredser, indtil de falder til overfladen.
Salgsfremmende video:
Quark interagerer med Higgs-feltet / Illustration RIA Novosti / Alina Polyanina.
Hvor kommer massen fra?
Fysikere er overbeviste om, at elementære partikler skal have masse. Det er bevist, at elektronet og byggestenene i universet - kvarker - har masse. Ellers kunne de ikke danne atomer og alt synligt stof. Et masseløst univers ville være et kaos af kvanta af forskellige stråling og skynde med lysets hastighed. Der ville ikke være galakser, ingen stjerner eller planeter.
Men hvor kommer massen fra?
”Ved oprettelse af standardmodellen i partikelfysik - en teori, der beskriver den elektromagnetiske, svage og stærke interaktion mellem alle elementære partikler, opstod der store vanskeligheder. Modellen indeholdt uundgåelige afvigelser på grund af tilstedeværelsen af ikke-frie masser i partikler,”siger Alexander Studenikin, doktor i videnskab, professor ved den teoretiske fysikafdeling i fysikafdelingen ved Lomonosov Moskva statsuniversitet, RIA Novosti.
Løsningen blev fundet af europæiske forskere i midten af 1960'erne, hvilket antydede, at der er et andet felt i naturen - en skalær. Det gennemsyrer hele universet, men dets indflydelse ses kun på mikroniveau. Partiklerne ser ud til at sidde fast i det og således erhverve masse.
Det mystiske skalarfelt blev opkaldt efter den britiske fysiker Peter Higgs, en af grundlæggerne af Standardmodellen. Bosonen er også opkaldt efter ham - en massiv partikel, der opstår i Higgs-feltet. Det blev opdaget i 2012 i eksperimenter på Large Hadron Collider ved CERN. Et år senere blev Higgs tildelt Nobelprisen sammen med François Engler.
Spøgelsesjagt
Spøgelsespartiklen - neutrino - måtte også anerkendes som massiv. Dette skyldes observationer af neutrino-fluxer fra solen og kosmiske stråler, som i lang tid ikke kunne forklares. Det viste sig, at partiklen er i stand til at omdanne til andre tilstande under bevægelse eller svinge, som fysikere siger. Dette er umuligt uden masse.
”Elektroniske neutrinoer, for eksempel født i solens indre, i streng forstand kan ikke betragtes som elementære partikler, da deres masse ikke har nogen bestemt betydning. Men i bevægelse kan hver af dem betragtes som en superposition af elementære partikler (også kaldet neutrinoer) med masserne m1, m2, m3. På grund af forskellen i hastigheden for masseneutrinoer, detekterer detektoren ikke kun elektronneutrinoer, men også neutrinoer af andre typer, for eksempel muon og tau neutrinoer. Dette er en konsekvens af blanding og svingninger, der blev forudsagt i 1957 af Bruno Maksimovich Pontecorvo,”forklarer professor Studenikin.
Det er blevet konstateret, at massen af en neutrino ikke kan overstige to tiendedele af en elektron volt. Men den nøjagtige betydning er stadig ukendt. Forskere gør dette i KATRIN-eksperimentet ved Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), der blev lanceret den 11. juni.
”Spørgsmålet om størrelsen og naturen af neutrino-massen er et af de vigtigste. Hans beslutning vil tjene som grundlag for den videre udvikling af vores forståelse af strukturen,”konkluderer professoren.
Det ser ud til, at i princippet alt er kendt om massen, det gjenstår at afklare nuancerne. Men dette er ikke tilfældet. Fysikere har beregnet, at det stof, vi observerer, kun optager fem procent af massen af stof i universet. Resten er hypotetisk mørk stof og energi, som ikke udsender noget og derfor ikke er registreret. Hvilke partikler består disse ukendte dele af universet af, hvad er deres struktur, hvordan interagerer de med vores verden? De næste generationer af forskere bliver nødt til at finde ud af det.
Tatiana Pichugina