Masa je pre fyzikov stále záhadou

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Omša je jedným zo základných a zároveň tajomných pojmov vo vede. Vo svete elementárnych častíc sa nedá oddeliť od energie. Je nenulová aj pre neutrína a väčšina z nich sa nachádza v neviditeľnej časti vesmíru. RIA Novosti hovorí, čo fyzici vedia o hmotnosti a aké tajomstvá sú s ňou spojené.

Relatívne a elementárne

Na predmestí Paríža, v sídle Medzinárodného úradu pre váhy a miery, stojí valec vyrobený zo zliatiny platiny a irídia s hmotnosťou presne jeden kilogram. Toto je štandard pre celý svet. Hmotnosť môže byť vyjadrená ako objem a hustota a dá sa uvažovať, že slúži ako miera množstva hmoty v tele. Fyzici, ktorí študujú mikrosvet, sa ale s takýmto jednoduchým vysvetlením neuspokoja.

Predstavte si pohyb tohto valca. Jeho výška nepresahuje štyri centimetre, napriek tomu bude potrebné vynaložiť značné úsilie. Ešte viac námahy si vyžiada presun napríklad chladničky. Potreba pôsobiť fyzikálnou silou sa vysvetľuje zotrvačnosťou telies a hmotnosť sa považuje za koeficient spájajúci silu a výsledné zrýchlenie (F = ma).

Hmotnosť slúži ako miera nielen pohybu, ale aj gravitácie, vďaka ktorej sa telesá navzájom priťahujú (F = GMm / R2). Keď sa dostaneme na váhu, šípka sa odchyľuje. Je to preto, že hmotnosť Zeme je veľmi veľká a gravitačná sila nás doslova tlačí na povrch. Na svetlejšom mesiaci človek váži šesťkrát menej.

Gravitácia nie je o nič menej tajomná ako hmotnosť. Predpoklad, že pri pohybe môžu niektoré veľmi masívne telesá vyžarovať gravitačné vlny, sa experimentálne potvrdil až v roku 2015 na detektore LIGO. O dva roky neskôr bol tento objav ocenený Nobelovou cenou.

Podľa princípu ekvivalencie, ktorý navrhol Galileo a spresnil Einstein, sú gravitačné a zotrvačné hmotnosti rovnaké. Z toho vyplýva, že masívne objekty sú schopné ohýbať časopriestor. Hviezdy a planéty okolo seba vytvárajú gravitačné lieviky, v ktorých sa prírodné a umelé satelity otáčajú, až kým neklesnú na povrch.

Odkiaľ pochádza hmota

Fyzici sú presvedčení, že elementárne častice musia mať hmotnosť. Je dokázané, že elektrón a stavebné kamene vesmíru - kvarky - majú hmotnosť. Inak by nemohli vytvárať atómy a všetku viditeľnú hmotu. Vesmír bez hmoty by bol chaosom kvánt rôzneho žiarenia, rútiaceho sa rýchlosťou svetla. Neexistovali by žiadne galaxie, žiadne hviezdy, žiadne planéty.

Odkiaľ však častica získava svoju hmotnosť?

"Pri vytváraní Štandardného modelu v časticovej fyzike - teórie, ktorá popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakcie všetkých elementárnych častíc, sa vyskytli veľké ťažkosti. Model obsahoval nevyhnutné divergencie spôsobené prítomnosťou nenulových hmotností častíc," hovorí Alexander Studenikin, Doktor vied, RIA Novosti Profesor Katedry teoretickej fyziky, Katedra fyziky, Moskovská štátna univerzita Lomonosova.

Riešenie našli európski vedci v polovici 60. rokov 20. storočia, čo naznačuje, že v prírode existuje ešte jedno pole – skalárne. Prestupuje celým Vesmírom, no jeho vplyv je badateľný len na mikroúrovni. Častice sa v ňom akoby zasekávajú a tým získavajú hmotnosť.

Záhadné skalárne pole bolo pomenované po britskom fyzikovi Petrovi Higgsovi, jednom zo zakladateľov štandardného modelu. Jeho meno nesie aj bozón, masívna častica vznikajúca v Higgsovom poli. Objavili ho v roku 2012 pri pokusoch na Veľkom hadrónovom urýchľovači v CERN-e. O rok neskôr dostal Higgs spolu s Françoisom Englerom Nobelovu cenu.

Lov na duchov

Častica-duch - neutríno - bolo tiež potrebné rozpoznať ako masívne. Môžu za to pozorovania tokov neutrín zo Slnka a kozmického žiarenia, ktoré sa dlho nepodarilo vysvetliť. Ukázalo sa, že častica je schopná transformovať sa do iných stavov počas pohybu alebo oscilovať, ako hovoria fyzici. Bez hmoty to nie je možné.

Elektronické neutrína, ktoré sa rodia napríklad vo vnútri Slnka, v užšom zmysle nemožno považovať za elementárne častice, keďže ich hmotnosť nemá jednoznačný význam. V pohybe však možno každé z nich považovať za superpozícia elementárnych častíc (nazývaných aj neutrína) s hmotnosťami m1, m2, m3. Vďaka rozdielu v rýchlosti hmotnostných neutrína detektor deteguje nielen elektrónové neutrína, ale aj neutrína iných typov, ako sú miónové a tau neutrína. Ide o dôsledok miešania a oscilácií, ktoré v roku 1957 predpovedal Bruno Maksimovič Pontecorvo,“vysvetľuje profesor Studenikin.

Zistilo sa, že hmotnosť neutrína nemôže presiahnuť dve desatiny elektrónvoltu. Ale presný význam je stále neznámy. Vedci to robia v experimente KATRIN na Technologickom inštitúte v Karlsruhe (Nemecko), ktorý spustili 11. júna.

"Otázka veľkosti a charakteru hmoty neutrín je jednou z hlavných. Jej riešenie poslúži ako základ pre ďalší rozvoj našich predstáv o štruktúre," uzatvára profesor.

Zdá sa, že v zásade je o hmote známe všetko, zostáva objasniť nuansy. Ale nie je to tak. Fyzici vypočítali, že hmota, ktorá je prístupná nášmu pozorovaniu, zaberá iba päť percent hmotnosti hmoty vo vesmíre. Zvyšok je hypotetická temná hmota a energia, ktoré nič nevyžarujú a teda nie sú registrované. Z akých častíc sa skladajú tieto neznáme časti vesmíru, akú majú štruktúru, ako interagujú s naším svetom? Na to budú musieť prísť ďalšie generácie vedcov.