Mass on füüsikute jaoks endiselt mõistatus

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Missa on teaduses üks fundamentaalseid ja samal ajal salapäraseid mõisteid. Elementaarosakeste maailmas ei saa seda energiast eraldada. See on nullist erinev isegi neutriinode jaoks ja suurem osa sellest asub universumi nähtamatus osas. RIA Novosti räägib, mida teavad füüsikud massist ja milliseid saladusi sellega seostatakse.

Suhteliselt ja elementaarselt

Pariisi eeslinnas, Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Büroo peakorteris, on plaatina ja iriidiumi sulamist valmistatud silinder, mis kaalub täpselt ühe kilogrammi. See on kogu maailma standard. Massi saab väljendada ruumala ja tihedusena ning võib arvata, et see mõõdab aine hulka kehas. Kuid mikromaailma uurivaid füüsikuid nii lihtne seletus ei rahulda.

Kujutage ette, et liigutate seda silindrit. Selle kõrgus ei ületa nelja sentimeetrit, sellegipoolest tuleb teha märkimisväärseid jõupingutusi. Näiteks külmiku teisaldamine nõuab veelgi rohkem pingutust. Füüsika jõu rakendamise vajadust seletatakse kehade inertsiga ning massi käsitletakse kui jõudu ja sellest tulenevat kiirendust (F = ma) ühendavat koefitsienti.

Mass ei ole mitte ainult liikumise, vaid ka gravitatsiooni mõõt, mis paneb kehad üksteist tõmbama (F = GMm / R2). Kui jõuame skaalale, kaldub nool kõrvale. Seda seetõttu, et Maa mass on väga suur ja gravitatsioonijõud surub meid sõna otseses mõttes pinnale. Kergemal kuul kaalub inimene kuus korda vähem.

Gravitatsioon pole vähem salapärane kui mass. Oletus, et liikudes võivad mõned väga massiivsed kehad kiirata gravitatsioonilaineid, sai eksperimentaalse kinnituse alles 2015. aastal LIGO detektoril. Kaks aastat hiljem pälvis see avastus Nobeli preemia.

Galileo pakutud ja Einsteini rafineeritud samaväärsuse põhimõtte kohaselt on gravitatsiooni- ja inertsiaalmassid võrdsed. Sellest järeldub, et massiivsed objektid on võimelised aegruumi painutama. Tähed ja planeedid loovad enda ümber gravitatsioonilehtreid, milles looduslikud ja tehissatelliidid tiirlevad kuni maapinnale langemiseni.

Kust tuleb mass

Füüsikud on veendunud, et elementaarosakestel peab olema mass. On tõestatud, et elektronil ja universumi ehitusplokkidel – kvarkidel – on mass. Vastasel juhul ei saaks nad moodustada aatomeid ja kogu nähtavat ainet. Ilma massita universum oleks valguse kiirusel tormavate erinevate kiirguste kvantide kaos. Poleks galaktikaid, tähti ega planeete.

Aga kust saab osake oma massi?

"Standardmudeli loomisel osakeste füüsikas – teoorias, mis kirjeldab kõigi elementaarosakeste elektromagnetilist, nõrka ja tugevat vastastikmõju, tekkisid suured raskused. Mudel sisaldas paratamatuid lahknevusi, mis tulenevad nullist erineva osakeste massi olemasolust," räägib Aleksandr Studenenikin. Teadustedoktor, RIA Novosti Lomonossovi Moskva Riikliku Ülikooli füüsikaosakonna teoreetilise füüsika osakonna professor.

Lahenduse leidsid Euroopa teadlased 1960. aastate keskel, viidates sellele, et looduses on veel üks valdkond – skalaarne. See läbib kogu universumit, kuid selle mõju on märgatav ainult mikrotasandil. Tundub, et osakesed jäävad sellesse kinni ja koguvad seega massi.

Salapärane skalaarväli sai nime Briti füüsiku Peter Higgsi järgi, kes oli standardmudeli üks asutajatest. Tema nime kannab ka boson, Higgsi väljast tekkiv massiivne osake. See avastati 2012. aastal CERNi suure hadronite põrkeseadme katsetes. Aasta hiljem pälvis Higgs koos François Engleriga Nobeli preemia.

Kummituste jaht

Osake-kummitus – neutriino – tuli samuti tunnistada massiivseks. Selle põhjuseks on Päikesest lähtuvate neutriinovoogude ja kosmiliste kiirte vaatlused, mida ei osatud pikka aega seletada. Selgus, et osake on võimeline liikumise ajal muutuma teistesse olekutesse ehk võnkuma, nagu füüsikud ütlevad. Ilma massita on see võimatu.

Elektroonilisi neutriinosid, mis sünnivad näiteks Päikese sisemuses, ei saa selle kitsas tähenduses pidada elementaarosakesteks, kuna nende massil ei ole kindlat tähendust. Kuid liikumises võib neist igaüks vaadelda kui osakesi. elementaarosakeste (nimetatakse ka neutriinodeks) massiga m1, m2, m3 superpositsioon Massineutriinode kiiruse erinevuse tõttu tuvastab detektor lisaks elektronneutriinodele ka muud tüüpi neutriinosid, näiteks müoonilisi ja tau neutriinosid. See on Bruno Maksimovitš Pontecorvo 1957. aastal ennustatud segunemise ja võnkumiste tagajärg,“selgitab professor Studenikin.

On kindlaks tehtud, et neutriino mass ei tohi ületada kahte kümnendikku elektronvoldist. Kuid täpne tähendus on endiselt teadmata. Teadlased teevad seda Karlsruhe Tehnoloogiainstituudis (Saksamaa) katses KATRIN, mis käivitati 11. juunil.

"Küsimus neutriino massi suurusest ja olemusest on üks peamisi. Selle lahendus on aluseks meie ideede edasisele arengule struktuuri kohta," võtab professor kokku.

Näib, et põhimõtteliselt on massi kohta kõik teada, jääb üle nüansid selgitada. Kuid see pole nii. Füüsikud on välja arvutanud, et meie vaatluse all olev aine moodustab universumis ainult viis protsenti aine massist. Ülejäänu on hüpoteetiline tumeaine ja energia, mis ei eralda midagi ja seetõttu ei registreerita. Millistest osakestest need tundmatud universumi osad koosnevad, milline on nende struktuur, kuidas nad meie maailmaga suhtlevad? Järgmised teadlaste põlvkonnad peavad selle välja mõtlema.