Masse er stadig et mysterium for fysikere

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Messe er et af de grundlæggende og samtidig mystiske begreber i videnskaben. I elementarpartiklernes verden kan det ikke adskilles fra energi. Det er ikke-nul selv for neutrinoer, og det meste af det er placeret i den usynlige del af universet. RIA Novosti fortæller, hvad fysikere ved om masse, og hvilke hemmeligheder der er forbundet med det.

Relativt og elementært

I forstæderne til Paris, i hovedkvarteret for International Bureau of Weights and Measures, er der en cylinder lavet af en legering af platin og iridium, der vejer præcis et kilogram. Dette er standarden for hele verden. Masse kan udtrykkes i form af volumen og tæthed, og det kan anses for, at det tjener 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 flytte denne cylinder. Dens højde overstiger ikke fire centimeter; ikke desto mindre skal der gøres en mærkbar indsats. Det vil kræve endnu flere kræfter at flytte for eksempel køleskabet. Behovet for at anvende en fysiks kraft forklares af legemers inerti, og masse betragtes som en koefficient, der forbinder kraften og den resulterende acceleration (F = ma).

Masse tjener ikke kun som et mål for bevægelse, men også for tyngdekraften, som får kroppe til at tiltrække hinanden (F = GMm / R2). Når vi kommer på skalaen, afviger pilen. Dette skyldes, at Jordens masse er meget stor, og tyngdekraften skubber os bogstaveligt talt 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 legemer kan udsende gravitationsbølger, mens de bevæger sig, blev kun eksperimentelt bekræftet i 2015 på LIGO-detektoren. To år senere blev denne opdagelse tildelt Nobelprisen.

Ifølge ækvivalensprincippet foreslået af Galileo og forfinet af Einstein, er gravitations- og inertimasser lige store. Det følger af dette, at massive objekter er i stand til at bøje rum-tid. Stjerner og planeter skaber gravitationstragte omkring dem, hvori naturlige og kunstige satellitter kredser, indtil de falder til overfladen.

Hvor kommer massen fra

Fysikere er overbevist om, at elementarpartikler skal have masse. Det er bevist, at elektronen og universets byggesten - kvarker - har masse. Ellers kunne de ikke danne atomer og alt synligt stof. Et univers uden masse ville være et kaos af kvanter af forskellig stråling, der suser med lysets hastighed. Der ville ikke være nogen galakser, ingen stjerner, ingen planeter.

Men hvor får partiklen sin masse fra?

"Da man lavede Standardmodellen i partikelfysik - en teori, der beskriver de elektromagnetiske, svage og stærke vekselvirkninger mellem alle elementarpartikler, opstod der store vanskeligheder. Modellen indeholdt uundgåelige divergenser på grund af tilstedeværelsen af ikke-nul-masser af partikler," siger Alexander Studenikin. Doctor of Science, til RIA Novosti Professor ved Institut for Teoretisk Fysik, Fysik Afdelingen, Lomonosov Moscow State University.

Løsningen blev fundet af europæiske videnskabsmænd i midten af 1960'erne, hvilket tyder på, at der er et andet felt i naturen - et skalært. Det gennemsyrer hele universet, men dets indflydelse er kun mærkbar på mikroniveau. Partiklerne ser ud til at sætte sig fast i det og dermed få masse.

Det mystiske skalarfelt blev opkaldt efter den britiske fysiker Peter Higgs, en af grundlæggerne af Standard Model. En boson, en massiv partikel, der opstår i Higgs-feltet, bærer også hans navn. Det blev opdaget i 2012 i eksperimenter ved Large Hadron Collider ved CERN. Et år senere blev Higgs tildelt Nobelprisen sammen med François Engler.

Spøgelsesjagt

Partikel-spøgelse - neutrino - måtte også anerkendes som massivt. Dette skyldes observationerne af neutrinoflux fra Solen og kosmiske stråler, som ikke kunne forklares i lang tid. Det viste sig, at en partikel er i stand til at forvandle sig til andre tilstande under bevægelse eller oscillere, som fysikere siger. Dette er umuligt uden masse.

"Elektroniske neutrinoer, som f.eks. er født i det indre af Solen, kan i streng forstand ikke betragtes som elementarpartikler, da deres masse ikke har en bestemt betydning. Men i bevægelse kan hver af dem betragtes som en superposition af elementarpartikler (også kaldet neutrinoer) med masser m1, m2, m3 På grund af forskellen i masseneutrinoers hastighed detekterer detektoren ikke kun elektronneutrinoer, men også neutrinoer af andre typer, såsom muon- og tau-neutrinoer. Dette er en konsekvens af blanding og svingninger forudsagt i 1957 af Bruno Maksimovich Pontecorvo," forklarer professor Studenikin.

Det er blevet fastslået, at massen af en neutrino ikke kan overstige to tiendedele af en elektronvolt. 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 arten af neutrinomassen er et af de vigtigste. Dens løsning vil tjene som grundlag for den videre udvikling af vores ideer om strukturen," slutter professoren.

Det ser ud til, at alt i princippet er kendt om massen, det er fortsat at afklare nuancerne. Men dette er ikke tilfældet. Fysikere har beregnet, at stof, som er modtageligt for vores observation, kun fylder fem procent af massen af stof i universet. Resten er hypotetisk mørkt stof og energi, som ikke udsender noget og derfor ikke registreres. Hvilke partikler består disse ukendte dele af universet af, hvad er deres struktur, hvordan interagerer de med vores verden? De næste generationer af videnskabsmænd bliver nødt til at finde ud af det.