Масата е едно от основните и в същото време мистериозни понятия в науката. В света на елементарните частици тя не може да бъде отделена от енергия. Той е ненулен 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 тежести и мерки, има цилиндър, изработен от сплав от платина и иридий с тегло точно един килограм. Това е стандартът за целия свят. Масата може да се изрази като обем и плътност и може да се счита, че тя служи като мярка за количеството на материята в тялото. Но физиците, изучаващи микровния свят, не са доволни от толкова просто обяснение.
Представете си, че движите този цилиндър. Височината му не надвишава четири сантиметра, но въпреки това ще трябва да се положат забележими усилия. Ще са необходими още повече усилия, за да преместите например хладилник. Необходимостта от прилагане на силата на физиката се обяснява с инерцията на телата, а масата се счита за коефициент, свързващ силата и произтичащото ускорение (F = ma).
Масата служи като мярка не само за движение, но и за гравитация, която принуждава телата да се привличат взаимно (F = GMm / R2). Когато стигнем до скалата, стрелката се отклонява. Това е така, защото масата на Земята е много голяма, а силата на гравитацията буквално ни изтласква към повърхността. На по-светла луна човек тежи шест пъти по-малко.
Гравитацията е не по-малко загадъчна от масата. Предположението, че някои много масивни тела могат да излъчват гравитационни вълни при движение, 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 Галилео и рафиниран от Айнщайн, гравитационните и инерционните маси са равни. От това следва, че масивните предмети са способни да огъват пространството и времето. Звездите и планетите създават около тях гравитационни фунии, в които естествени и изкуствени спътници се въртят, докато не паднат на повърхността.
Промоционално видео:
Кварк взаимодейства с полето Хигс / Илюстрация РИА Новости / Алина Полянина.
Откъде идва масата
Физиците са убедени, че елементарните частици трябва да имат маса. Доказано е, че електронът и градивните елементи на Вселената - кваркове - имат маса. В противен случай те не биха могли да образуват атоми и цялата видима материя. Безмасова вселена би представлявала хаос от кванти от различни лъчения, бързащи със скоростта на светлината. Нямаше да има галактики, няма звезди, няма планети.
Но откъде идва масата?
„При създаването на Стандартния модел във физиката на частиците - теория, която описва електромагнитното, слабо и силно взаимодействие на всички елементарни частици, възникнаха големи трудности. Моделът съдържа неизбежни различия поради наличието на ненужни маси в частици “, казва пред РИА Новости Александър Студекин, доктор на науките, професор от катедрата по теоретична физика в отдела по физика на Московския държавен университет„ Ломоносов “.
Решението е намерено от европейските учени в средата на 60-те години, което предполага, че в природата има и друго поле - скаларно. Той прониква в цялата Вселена, но влиянието й се забелязва само на микро ниво. Частиците сякаш се забиват в него и така придобиват маса.
Мистериозното скаларно поле е кръстено на британския физик Питър Хигс, един от основателите на Стандартния модел. Бозонът също е кръстен на него - масивна частица, възникваща в полето на Хигс. Открит е през 2012 г. при експерименти на Големия адронен колайдер в ЦЕРН. Година по-късно Хигс получава Нобелова награда заедно с Франсоа Енглер.
Призрачен лов
Призрачната частица - неутрино - също трябваше да бъде разпозната като масивна. Това се дължи на наблюдения на неутрино потоци от Слънцето и космически лъчи, които дълго време не можеха да се обяснят. Оказа се, че една частица е способна да се трансформира в други състояния по време на движение или да се колебае, както казват физиците. Това е невъзможно без маса.
„Електронните неутрино, родени 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 всеки 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 други видове, например, муонни и тау неутрино. Това е следствие от смесване и трептения, предвидени през 1957 г. от Бруно Максимович Понтекорво “, обяснява проф. Студекинин.
Установено е, че масата на неутрино не може да надвишава две десети от електронния волт. Но точният смисъл все още не е известен. Учените правят това в експеримента KATRIN в Техническия институт в Карлсруе (Германия), стартиран на 11 юни.
„Въпросът за величината и естеството на неутринната маса е един от основните. Неговото решение ще послужи като основа за по-нататъшното развитие на нашето разбиране за структурата “- заключава професорът.
Изглежда, че по принцип всичко се знае за масата, остава да се изяснят нюансите. Но това не е така. Физиците са изчислили, че материята, която наблюдаваме, заема само пет процента от масата на материята във Вселената. Останалото са хипотетична тъмна материя и енергия, които не излъчват нищо и затова не са регистрирани. От какви частици се състоят тези неизвестни части на Вселената, каква е тяхната структура, как взаимодействат с нашия свят? Следващите поколения учени ще трябва да го разберат.
Татяна Пичугина