Masa joprojām ir noslēpums fiziķiem

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Masa ir viens no fundamentālajiem un vienlaikus noslēpumainajiem jēdzieniem zinātnē. Elementārdaļiņu pasaulē to nevar atdalīt no enerģijas. Tas nav nulle pat neitrīno, un lielākā daļa no tā atrodas neredzamajā Visuma daļā. RIA Novosti stāsta, ko fiziķi zina par masu un kādi noslēpumi ar to saistīti.

Relatīvi un elementāri

Parīzes priekšpilsētā, Starptautiskā svaru un mēru biroja galvenajā mītnē, atrodas cilindrs, kas izgatavots no platīna un irīdija sakausējuma un sver tieši vienu kilogramu. Tas ir standarts visai pasaulei. Masu var izteikt tilpuma un blīvuma izteiksmē, un var uzskatīt, ka tā kalpo kā vielas daudzuma mērs organismā. Taču fiziķi, kas pēta mikropasauli, nav apmierināti ar tik vienkāršu skaidrojumu.

Iedomājieties, ka pārvietojat šo cilindru. Tā augstums nepārsniedz četrus centimetrus, tomēr būs jāpieliek ievērojamas pūles. Vēl vairāk jāpiepūlas, lai pārvietotu, piemēram, ledusskapi. Fizikas spēka pielietošanas nepieciešamība ir izskaidrojama ar ķermeņu inerci, un masa tiek uzskatīta par koeficientu, kas savieno spēku un no tā izrietošo paātrinājumu (F = ma).

Masa kalpo ne tikai kā kustības, bet arī gravitācijas mērs, kas liek ķermeņiem piesaistīt viens otru (F = GMm / R2). Kad mēs uzkāpjam uz skalas, bultiņa novirzās. Tas ir tāpēc, ka Zemes masa ir ļoti liela, un gravitācijas spēks mūs burtiski spiež uz virsmu. Uz gaišāka mēness cilvēks sver sešas reizes mazāk.

Gravitācija ir ne mazāk noslēpumaina kā masa. Pieņēmums, ka, pārvietojoties, daži ļoti masīvi ķermeņi var izstarot gravitācijas viļņus, tika eksperimentāli apstiprināts tikai 2015. gadā uz LIGO detektora. Divus gadus vēlāk šis atklājums tika apbalvots ar Nobela prēmiju.

Saskaņā ar Galileo ierosināto un Einšteina pilnveidoto ekvivalences principu gravitācijas un inerciālās masas ir vienādas. No tā izriet, ka masīvi objekti spēj saliekt telpu-laiku. Zvaigznes un planētas ap tām rada gravitācijas piltuves, kurās griežas dabiskie un mākslīgie pavadoņi, līdz tie nokrīt uz virsmas.

No kurienes nāk masa

Fiziķi ir pārliecināti, ka elementārdaļiņām jābūt ar masu. Ir pierādīts, ka elektronam un Visuma celtniecības blokiem - kvarkiem - ir masa. Pretējā gadījumā tie nevarētu veidot atomus un visu redzamo matēriju. Visums bez masas būtu dažāda starojuma kvantu haoss, kas steidzas ar gaismas ātrumu. Nebūtu ne galaktiku, ne zvaigžņu, ne planētu.

Bet no kurienes daļiņa iegūst savu masu?

"Veidojot Standarta modeli daļiņu fizikā - teoriju, kas apraksta visu elementārdaļiņu elektromagnētisko, vājo un spēcīgo mijiedarbību, radās lielas grūtības. Modelis ietvēra neizbēgamas novirzes, kas saistītas ar daļiņu masu, kas nav nulles," stāsta Aleksandrs Studenikins. Zinātņu doktors, RIA Novosti Lomonosova Maskavas Valsts universitātes Fizikas katedras Teorētiskās fizikas katedras profesors.

Risinājumu 60. gadu vidū atrada Eiropas zinātnieki, liekot domāt, ka dabā ir vēl viens lauks - skalārs. Tas caurstrāvo visu Visumu, bet tā ietekme ir manāma tikai mikro līmenī. Šķiet, ka daļiņas tajā iestrēgst un tādējādi iegūst masu.

Noslēpumainais skalāra lauks tika nosaukts britu fiziķa Pītera Higsa, viena no standarta modeļa dibinātājiem, vārdā. Bozons, masīva daļiņa, kas rodas Higsa laukā, arī nes viņa vārdu. Tas tika atklāts 2012. gadā eksperimentos lielajā hadronu paātrinātājā CERN. Gadu vēlāk Higsam kopā ar Fransuā Engleru tika piešķirta Nobela prēmija.

Spoku medības

Par masīvu bija jāatzīst arī daļiņas-spoks – neitrīno. Tas ir saistīts ar Saules neitrīno plūsmu un kosmisko staru novērojumiem, ko ilgi nevarēja izskaidrot. Izrādījās, ka daļiņa kustības laikā spēj pārveidoties citos stāvokļos jeb svārstīties, kā saka fiziķi. Tas nav iespējams bez masas.

"Elektroniskos neitrīnus, kas dzimuši, piemēram, Saules iekšienē, tiešā nozīmē nevar uzskatīt par elementārdaļiņām, jo to masai nav noteiktas nozīmes. Taču kustībā katrs no tiem var tikt uzskatīts par elementārdaļiņu (sauktu arī par neitrīniem) superpozīcija ar masām m1, m2, m3 Masu neitrīno ātruma atšķirības dēļ detektors nosaka ne tikai elektronu neitrīnus, bet arī cita veida neitrīnus, piemēram, muoniskos un tau neitrīnus. Tās ir sekas sajaukšanai un svārstībām, ko 1957. gadā paredzēja Bruno Maksimovičs Pontekorvo," skaidro profesors Studenikins.

Ir konstatēts, ka neitrīno masa nevar pārsniegt divas desmitdaļas no elektronvolta. Bet precīza nozīme joprojām nav zināma. Zinātnieki to dara KATRIN eksperimentā Karlsrūes Tehnoloģiju institūtā (Vācija), kas tika uzsākts 11. jūnijā.

"Jautājums par neitrīno masas lielumu un raksturu ir viens no galvenajiem. Tā risinājums kalpos par pamatu tālākai mūsu ideju attīstībai par struktūru," secina profesors.

Šķiet, ka principā viss ir zināms par masu, atliek noskaidrot nianses. Bet tas tā nav. Fiziķi ir aprēķinājuši, ka matērija, kas ir piemērota mūsu novērojumiem, aizņem tikai piecus procentus no matērijas masas Visumā. Pārējais ir hipotētiska tumšā viela un enerģija, kas neko neizstaro un tāpēc netiek reģistrēta. No kādām daļiņām sastāv šīs nezināmās Visuma daļas, kāda ir to uzbūve, kā tās mijiedarbojas ar mūsu pasauli? Nākamajām zinātnieku paaudzēm tas būs jāizdomā.