Hmotnost je pro fyziky stále záhadou

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Mše je jedním ze základních a zároveň tajemných pojmů ve vědě. Ve světě elementárních částic ji nelze oddělit od energie. Je nenulová i pro neutrina a většina z nich se nachází v neviditelné části vesmíru. RIA Novosti vypráví, co vědí fyzici o hmotě a jaká tajemství jsou s ní spojena.

Relativně a elementárně

Na předměstí Paříže, v sídle Mezinárodního úřadu pro váhy a míry, stojí válec ze slitiny platiny a iridia o váze přesně jeden kilogram. To je standard pro celý svět. Hmotnost lze vyjádřit objemem a hustotou a lze uvažovat, že slouží jako míra množství hmoty v těle. Fyzici studující mikrosvět se ale s tak jednoduchým vysvětlením nespokojí.

Představte si pohyb tohoto válce. Jeho výška nepřesahuje čtyři centimetry, přesto bude třeba vynaložit značné úsilí. Ještě větší námahu dá přestěhovat například ledničku. Potřeba působit fyzikální silou se vysvětluje setrvačností těles a hmotnost je uvažována jako součinitel spojující sílu a výsledné zrychlení (F = ma).

Hmotnost slouží jako měřítko nejen pohybu, ale také gravitace, díky které se tělesa vzájemně přitahují (F = GMm / R2). Když se dostaneme na stupnici, šipka se odchýlí. Je to proto, že hmotnost Země je velmi velká a gravitační síla nás doslova tlačí k povrchu. Na světlejším měsíci člověk váží šestkrát méně.

Gravitace není o nic méně záhadná než hmotnost. Předpoklad, že při pohybu mohou některá velmi masivní tělesa vyzařovat gravitační vlny, byl experimentálně potvrzen až v roce 2015 na detektoru LIGO. O dva roky později byl tento objev oceněn Nobelovou cenou.

Podle principu ekvivalence navrženého Galileem a zdokonaleného Einsteinem jsou gravitační a setrvačné hmoty stejné. Z toho vyplývá, že masivní objekty jsou schopny ohýbat časoprostor. Hvězdy a planety kolem sebe vytvářejí gravitační trychtýře, ve kterých se přirozené a umělé družice otáčejí, dokud nedopadnou na povrch.

Odkud pochází hmota

Fyzici jsou přesvědčeni, že elementární částice musí mít hmotnost. Je dokázáno, že elektron a stavební kameny vesmíru - kvarky - mají hmotnost. Jinak by nemohly tvořit atomy a veškerou viditelnou hmotu. Vesmír bez hmoty by byl chaosem kvant různého záření, řítícího se rychlostí světla. Nebyly by žádné galaxie, žádné hvězdy, žádné planety.

Ale odkud částice získává svou hmotnost?

"Při vytváření Standardního modelu v částicové fyzice - teorie, která popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakce všech elementárních částic, vyvstaly velké potíže. Model obsahoval nevyhnutelné divergence kvůli přítomnosti nenulových hmotností částic," říká Alexander Studenikin, Doktor věd, RIA Novosti Profesor katedry teoretické fyziky, katedra fyziky Moskevské státní univerzity Lomonosova.

Řešení našli evropští vědci v polovině 60. let minulého století, což naznačuje, že v přírodě existuje ještě jedno pole – skalární. Prostupuje celým Vesmírem, ale jeho vliv je patrný pouze na mikroúrovni. Částice se v něm jakoby zasekávají a tím získávají hmotu.

Záhadné skalární pole bylo pojmenováno po britském fyzikovi Peteru Higgsovi, jednom ze zakladatelů standardního modelu. Jeho jméno nese také boson, masivní částice vznikající v Higgsově poli. Byl objeven v roce 2012 při experimentech na Velkém hadronovém urychlovači v CERNu. O rok později byla Higgsovi spolu s Françoisem Englerem udělena Nobelova cena.

Lov na duchy

Částicový duch - neutrino - musel být také uznán jako masivní. Může za to pozorování toků neutrin ze Slunce a kosmického záření, které se dlouho nedařilo vysvětlit. Ukázalo se, že částice je schopna se během pohybu transformovat do jiných stavů nebo oscilovat, jak říkají fyzici. To je nemožné bez hmoty.

Elektronická neutrina, která se rodí například v nitru Slunce, v užším slova smyslu nelze považovat za elementární částice, protože jejich hmotnost nemá jednoznačný význam. Ale v pohybu lze každé z nich považovat za superpozice elementárních částic (také nazývaných neutrina) o hmotnostech m1, m2, m3 Díky rozdílu v rychlosti hmotnostních neutrin detektor detekuje nejen elektronová neutrina, ale i neutrina jiných typů, např. mionová a tau neutrina. Je to důsledek míchání a oscilací, které v roce 1957 předpověděl Bruno Maksimovič Pontecorvo,“vysvětluje profesor Studenikin.

Bylo zjištěno, že hmotnost neutrina nemůže přesáhnout dvě desetiny elektronvoltu. Ale přesný význam je stále neznámý. Vědci to dělají v experimentu KATRIN na Technologickém institutu v Karlsruhe (Německo), který byl zahájen 11. června.

"Otázka velikosti a povahy hmoty neutrin je jednou z hlavních. Její řešení poslouží jako základ pro další rozvoj našich představ o struktuře," uzavírá profesor.

Zdá se, že v zásadě je o hmotě známo vše, zbývá objasnit nuance. Ale není tomu tak. Fyzici vypočítali, že hmota, která je přístupná našemu pozorování, zaujímá pouze pět procent hmoty hmoty ve vesmíru. Zbytek je hypotetická temná hmota a energie, které nic nevyzařují a tudíž nejsou registrovány. Z jakých částic se tyto neznámé části vesmíru skládají, jakou mají strukturu, jak interagují s naším světem? Na to budou muset přijít další generace vědců.