Hmota je jedním ze základních a zároveň tajemných konceptů vědy. Ve světě elementárních částic se nemůže oddělit od energie. Je nenulová i pro neutrina a většina z nich se nachází v neviditelné části vesmíru. RIA Novosti vypráví, co fyzici vědí o mši a jaká tajemství s ní souvisí.
Relativně a elementárně
Na předměstí Paříže, v sídle Mezinárodního úřadu pro váhy a míry, je válec vyrobený ze slitiny platiny a iridia o hmotnosti přesně jednoho kilogramu. To je standard pro celý svět. Hmota může být vyjádřena jako objem a hustota a lze předpokládat, že slouží jako měřítko množství hmoty v těle. Fyzici studující mikrosvěta však nejsou s tak jednoduchým vysvětlením spokojeni.
Představte si pohyb tohoto válce. Jeho výška nepřesahuje čtyři centimetry, je však třeba vyvinout značné úsilí. Pohybovat se, například, ledničkou, bude vyžadovat ještě větší úsilí. Potřeba aplikovat fyzikální sílu je vysvětlena setrvačností těles a hmotnost je považována za koeficient spojující sílu a výsledné zrychlení (F = ma).
Hmota slouží jako míra nejen pohybu, ale také gravitace, která nutí těla přitahovat jeden druhého (F = GMm / R2). Když se dostaneme na stupnici, šipka se vychýlí. Je to proto, že hmota Země je velmi velká a gravitační síla nás doslova tlačí na povrch. Na světlejším měsíci váží člověk šestkrát méně.
Gravitace není o nic méně záhadná než masa. Předpoklad, že některá velmi masivní těla mohou při pohybu vydávat gravitační vlny, byl experimentálně potvrzen teprve v roce 2015 na detektoru LIGO. O dva roky později získal tento objev Nobelovu cenu.
Podle principu ekvivalence, který navrhl Galileo a zdokonalil Einstein, jsou gravitační a setrvačné hmoty stejné. Z toho vyplývá, že masivní objekty jsou schopné ohýbat časoprostor. Hvězdy a planety kolem nich vytvářejí gravitační nálevky, ve kterých se přírodní a umělé satelity točí, dokud nespadnou na povrch.
Propagační video:
Quark spolupracuje s Higgsovým polem / ilustrace RIA Novosti / Alina Polyanina.
Odkud pochází masa
Fyzici jsou přesvědčeni, že elementární částice musí mít hmotu. Bylo prokázáno, že elektron a stavební kameny vesmíru - kvarky - mají hmotu. Jinak nemohli tvořit atomy a veškerou viditelnou hmotu. Bezhmotný vesmír by byl chaosem kvanty různého záření, spěchajícího rychlostí světla. Nebyly by tam žádné galaxie, žádné hvězdy ani planety.
Ale odkud pochází ta mše?
„Při vytváření standardního modelu ve fyzice částic - teorie, která popisuje elektromagnetickou, slabou a silnou interakci všech elementárních částic, vyvstaly velké potíže. Model obsahoval nevyhnutelné divergence způsobené přítomností nenulových mas v částicích, “říká Alexander Studenikin, doktor vědy, profesor Katedry teoretické fyziky katedry fyziky na Moskevské státní univerzitě v Lomonosově, RIA Novosti.
Řešení našli evropští vědci v polovině šedesátých let, což naznačuje, že v přírodě existuje jiné pole - skalární pole. Prochází celým vesmírem, ale jeho vliv je patrný pouze na mikroúrovni. Zdá se, že částice v něm uvízly a tím nabývají hmoty.
Tajemné skalární pole bylo pojmenováno podle britského fyzika Petera Higgse, jednoho ze zakladatelů standardního modelu. Boson je také pojmenován po něm - masivní částice vznikající v Higgsově poli. Byl objeven v roce 2012 experimenty na velkém hadronovém srážce v CERNu. O rok později získal Higgs Nobelovu cenu spolu s Françoisem Englerem.
Lov duchů
Duchová částice - neutrino - také musela být uznána jako masivní. Je to díky pozorování neutrinových toků ze Slunce a kosmických paprsků, které po dlouhou dobu nebylo možné vysvětlit. Ukázalo se, že částice je schopna přeměnit se v jiné stavy během pohybu nebo oscilovat, jak říkají fyzici. To je nemožné bez masy.
„Elektronická neutrina, narozená například v nitru Slunce, v přísném smyslu nemohou být považována za elementární částice, protože jejich hmota nemá definitivní význam. Ale v pohybu lze každou z nich považovat za superpozici elementárních částic (nazývaných také neutrina) o hmotnostech m1, m2, m3. Díky rozdílu v rychlosti hromadných neutrinů detekuje detektor nejen neutrony elektronů, ale také neutrina jiných typů, například neutronů muonu a tau. Je to důsledek smíchání a oscilací předpovídaných v roce 1957 Brunem Maksimovičem Pontecorvo, “vysvětluje profesor Studenikin.
Bylo zjištěno, že hmotnost neutrin nesmí překročit dvě desetiny elektronového voltu. Přesný význam je však stále neznámý. Vědci to dělají v experimentu KATRIN na technologickém institutu v Karlsruhe (Německo), který byl zahájen 11. června.
"Otázka velikosti a povahy neutrinové hmoty je jednou z hlavních." Jeho rozhodnutí bude sloužit jako základ pro další rozvoj našeho porozumění struktuře, “- uzavírá profesor.
Zdálo by se, že v zásadě je vše o hmotě známo, zbývá objasnit nuance. Ale není tomu tak. Fyzici spočítali, že hmota, kterou pozorujeme, zabírá jen pět procent hmoty hmoty ve vesmíru. Zbytek je hypotetická temná hmota a energie, které nevydávají nic, a proto nejsou registrovány. Z jakých částic tyto neznámé části vesmíru sestávají, z čeho je jejich struktura, jak interagují s naším světem? Budoucí generace vědců to budou muset zjistit.
Tatiana Pichugina