Што е наука за маса преку Интернет
Која е табелата?
Елементарните честички, како што се електроните, Хигсовите бозони или фотоните, се опишани со маса, електричен полнеж, спин.
Масата на честичка е важна особина што треба да ја разбереме затоа што лежи во основата на физиката на елементарните честички.
Која е табелата? Зошто некои честички имаат маса, а други немаат? И особено: зошто честичките имаат маса?
За да одговориме на овие прашања и да го надминеме она што Алберт Ајнштајн го знаеше за масата, ајде да навлеземе во физиката на честичките и општата релативност.
Мерење на масата
Еден наставник еднаш ми рече дека најдобрата дефиниција за физичкото својство е како да се измери. Следејќи ја оваа дефиниција, да видиме како можеме да ја измериме масата.
Кога стапнувате на вага, таа ја бележи вашата тежина. Ова е затоа што Земјата ве привлекува преку гравитационата сила. Гравитационата сила помеѓу вас и Земјата постои затоа што и вие и Земјата имате маса.
Ако стапневте на иста скала на Месечината, тогаш тоа би запишало само дел од вашата тежина на Земјата. Поточно, една шестина од ова (најефикасен метод за слабеење: изгуби 83% од телесната тежина летајќи на Месечината).
Вашата тежина на Месечината е помала затоа што масата на Месечината е помала од масата на Земјата и гравитационата сила помеѓу Месечината и вие е пропорционална на масата на Месечината (М) и вашата маса (м). Ова е дадено со формулата F = GMm/(R ^ 2), каде што R е радиус на Месечината и G се нарекува гравитациона константа на tonутн.
Масата е задача на гравитационата интеракција и без неа нема гравитациона сила. Физичарите ја нарекуваат оваа маса како гравитациона маса.
Кога отворате врата, мора да ја турнете со сила, инаку вратата нема да се отвори. Ова се должи на фактот дека вратата има маса што се манифестира како инерција, односно се спротивставува на промената на нејзината состојба на движење.
Вториот закон на tonутн вели дека силата потребна за промена на состојбата на движење на објектот е пропорционална на неговата инерцијална маса (F = ma). Полесно е да се притисне, со исто забрзување, лесна врата во споредба со тешката.
Обединување на масата
Ајнштајн обедини гравитациона маса и инерцијална маса преку принципот на еквивалентност. Тој едноставно наведува дека гравитационата и инерцијалната маса се еквивалентни.
Сепак, оваа едноставна изјава, заедно со идејата дека математичките равенки на физиката не треба да зависат од референтниот систем, има големи импликации. Равенките на гравитационото поле на Ајнштајн произлегоа од примената на принципот на еквивалентност и тие опишуваат како масата се искривува простор-време.
Значењето на равенките на Ајнштајн е едноставно: масата го деформира континуумот простор-време, а закривениот простор-време го одредува начинот на движење на објектите со маса.
Геометриската теорија на гравитација, замислена од Алберт Ајнштајн, вели дека Земјата кружи околу Сонцето и ја следи искривувањето на структурата на просторот-времето утврдена од присуството на Сонцето.
Ако Сонцето немаше маса, тогаш Земјата веќе не можеше да ја следи траекторијата околу себе и да се оддалечува по права линија.
Ајнштајн го знаеше сето ова и многу повеќе. Тој е оној кој ја формулирал теоријата за специјална релативност и теоријата за општа релативност. Тој сфати како се поврзани масата, гравитацијата и енергијата. За жал, тој немаше шанса да го дознае одговорот на прашањето: зошто масата е суштинско својство на телата?.
Современата физика на елементарни честички е таа што ни даде одговор на ова прашање во 2012 година кога конечно беше откриен бозонот на Хигс.
Горенаведеното прашање е важно затоа што, како што покажавме претходно, без маса немаше да има гравитација. Или ќе постоеше? Па, гравитацијата постои и во отсуство на маса.
Размислете, на пример, за фотон. Нема маса. Врз основа на она што го знаеме денес, основниот закон во физиката на честички, наречен мерачка симетрија, не дозволува честичка што носи сила, вклучително и фотон, да има маса.
Сепак, фотонот го привлекува Сонцето. Астрономските набудувања јасно покажуваат дека од двете страни на неа може да се забележи светлина од многу далечна галаксија, поставена веднаш зад Сонцето. Гравитационото поле на Сонцето ги искривува зраците на светлината и ова откритие, датирано од 1919 година, беше доказ дека теоријата за општа релативност е точна.
Светлината се отклонува во гравитационото поле според равенката E = mc ^ 2. Ова ни кажува дека, од гравитациска гледна точка, енергијата и масата се еквивалентни. Фотонот има енергија и затоа е привлечен од Сонцето.
Фактот дека енергијата има гравитациони ефекти е важен, бидејќи најголемиот дел од масата околу нас е, всушност, енергија. Видливите делови на галаксиите и starsвездите главно се составени од водород, односно само протони и електрони.
Земјата содржи различни атоми, и тие се составени од нуклеони (протони и неутрони) и електрони. Електроните се 2.000 пати полесни од нуклеоните, така што нивниот придонес во вкупната маса е многу помал од оној на нуклеоните. Покрај тоа, најголемиот дел од масата на протони и неутрони е претставена со енергијата складирана во глуоните.
Глуоните ги држат заедно протоните и неутроните во атомското јадро и се честички кои носат сила. Енергијата на сврзување складирана во глуони ја сочинува најголемиот дел од масата на протони, неутрони, водород и кој било друг атом.
Улогата на Хигсовиот бозон
Можеме да застанеме тука затоа што го претставивме потеклото на повеќето видливи маси во Универзумот. Ајнштајн не знаеше од каде потекнува масата макроскопски предмети, бидејќи дури до крајот на 20 век физичарите беа во можност да го разберат неговото потекло.
Хигсовиот бозон е одговорен за масовно генерирање. Возбудувајќи го Хигсовото поле, Хигсовиот бозон дава маса, на фундаментално ниво, на основните честички.
Приказната за Хигсовиот бозон започна со сериозен проблем во физиката на честички. Од крајот на 20 век беше очигледно дека симетријата на мерачот, споменати погоре, се основни закони што забрануваат честички што носат сила да имаат маса.
Меѓутоа, во 1983 година беа откриени масивните бозони W и Z во Големиот електрон-позитрон (ЛЕП), претходникот на Големиот хадронски судир (LHC).
Ова откритие беше вистинска енигма: беше повреден еден од основните закони на природата, непроменливоста на мерачот. Откажувањето од непроменливоста на мерачот би значело дека физиката на честички ќе започне од нула.
Зачудувачки, теоретските физичари успеаја да ги задржат мераните симетрии на основно ниво со воведување на Хигсовиот механизам и исто така со нивно кршење за да овозможат постоење на масивни честички W и Z во нашиот универзум.
За ова достигнување Шелдон Глешоу, Абдус Салам и Стивен Вајнберг ја добија Нобеловата награда за физика во 1979 година. Хигсовиот механизам им дава маса на основните честички и објаснува зошто електроните, неутрините или кварковите имаат маса.
Сепак, масата на електрони, кварки и неутрини е занемарлива во споредба со масата генерирана од глуоните. Ова значи дека Хигсовиот механизам е занемарлив на атомско ниво?
Одговорот е не! Без Хигсовиот бозон, електроните немаа да имаат маса и сите атоми ќе пропаднат. Неутроните повеќе не би се распаѓале, па дури и атомските јадра би изгледале многу поразлично. Генерално, Универзумот би бил многу поинакво место, без галаксии, starsвезди и планети.
Темна материја
Можеме ли сега да кажеме дека знаеме сè за масата? За жал не. Само 5% од масата на универзумот доаѓа од обична материја чија маса е разбрана.
Скоро 70% од масата на универзумот доаѓа од темна енергија и околу 25% од темна материја. Не само што немаме поим за каква маса станува збор, туку дури и не знаеме од што се состои темната материја. Следствено, можеме да кажеме дека приказната за масата продолжува.