Какво е Table Science Online

Каква е таблицата?

Елементарни частици, като електрони, хигс бозони или фотони, се описват чрез маса, електрически заряд, спин.

Масата на частицата е важно свойство, което трябва да разберем, защото е в основата на физиката на елементарните частици.

Каква е масата? Защо някои частици имат маса, а други нямат? И особено: защо частиците имат маса?

За да отговорим на тези въпроси и да надхвърлим онова, което Алберт Айнщайн е знаел за масата, нека отидем във физиката на частиците и общата теория на относителността.

Измерване на масата

Веднъж един учител ми каза, че най-доброто определение на физическо свойство е как да се измери. Следвайки тази дефиниция, нека видим как можем да измерим масата.

Когато стъпите на кантар, той записва вашето тегло. Това е така, защото Земята ви привлича чрез гравитационна сила. Гравитационната сила между вас и Земята съществува, защото и вие, и Земята имате маса.

Ако стъпите на една и съща скала на Луната, тогава тя ще отчете само част от теглото ви на Земята. По-точно, една шеста от това (най-ефективният метод за отслабване: загубете 83% от телесното си тегло, като летите до Луната).

Вашето тегло на Луната е по-малко, защото масата на Луната е по-малка от масата на Земята и гравитационната сила между Луната и вие сте пропорционални на масата на Луната (M) и вашата маса (m). Това се дава от формулата F = GMm/(R ^ 2), където R е радиусът на Луната, а G се нарича гравитационна константа на Нютон.

Масата е задачата на гравитационното взаимодействие и без нея няма гравитационна сила. Физиците наричат тази маса гравитационната маса.

Когато отворите врата, трябва да я натиснете със сила, в противен случай вратата няма да се отвори. Това се дължи на факта, че вратата има маса, която се проявява като инерция, т.е. тя се противопоставя на промяната на нейното състояние на движение.

Вторият закон на Нютон гласи, че силата, необходима за промяна на състоянието на движение на обекта, е пропорционална на инерционната му маса (F = ma). По-лесно е да се натисне, със същото ускорение, лека врата в сравнение с тежка.

Обединяване на масата

Айнщайн обедини гравитационната маса и инерционната маса чрез принципа на еквивалентност. Той просто заявява, че гравитационната и инерционната маса са еквивалентни.

Това просто твърдение, заедно с идеята, че математическите уравнения на физиката не трябва да зависят от референтната система, има големи последици. Уравненията на гравитационното поле на Айнщайн са резултат от прилагането на принципа на еквивалентност и те описват как масата криви пространство-време.

Значението на уравненията на Айнщайн е просто: масата деформира пространствено-времевия континуум, а извитото пространство-време определя как обектите имат маса.

Геометричната теория на гравитацията, замислена от Алберт Айнщайн, гласи, че Земята обикаля около Слънцето и следва кривината на пространствено-времевата структура, определена от присъствието на Слънцето.

Ако Слънцето нямаше маса, тогава Земята вече не можеше да следва траекторията около себе си и да се отдалечава по права линия.

Айнщайн знаеше всичко това и не само. Той е този, който формулира теорията на специалната относителност и теорията на общата относителност. Той разбра как масата, гравитацията и енергията са свързани. За съжаление той не е имал шанса да разбере отговора на въпроса: защо масата е присъщо свойство на телата?.

Съвременната физика на елементарните частици ни даде отговора на този въпрос през 2012 г., когато най-накрая беше открит бозонът на Хигс.

Горният въпрос е важен, тъй като, както показахме преди, без маса не би имало гравитация. Или би съществувал? Е, гравитацията съществува и при липса на маса.

Да разгледаме например фотон. Няма маса. Въз основа на това, което познаваме днес, основен закон във физиката на частиците, наречен габаритна симетрия, не позволява на силоносна частица, включително фотон, да има маса.

Фотон обаче е привлечен от Слънцето. Астрономическите наблюдения ясно показват, че светлината от много далечна галактика, разположена точно зад Слънцето, може да се наблюдава от двете страни на него. Гравитационното поле на Слънцето извива лъчите на светлината и тази находка, датираща от 1919 г., е доказателство, че теорията на общата теория на относителността е вярна.

Светлината се отклонява в гравитационното поле съгласно уравнението E = mc ^ 2. Това ни казва, че от гравитационна гледна точка енергията и масата са еквивалентни. Фотонът има енергия и затова е привлечен от Слънцето.

Фактът, че енергията има гравитационни ефекти е важен, тъй като по-голямата част от масата около нас всъщност е енергия. Видимите части на галактиките и звездите се състоят главно от водород, т.е. само от протони и електрони.

Земята съдържа различни атоми и те са изградени от нуклони (протони и неутрони) и електрони. Електроните са 2000 пъти по-леки от нуклоните, така че приносът им към общата маса е много по-малък от този на нуклоните. Освен това по-голямата част от масата на протоните и неутроните е представена от енергията, съхранявана в глюони.

Глуоните задържат заедно протоните и неутроните в атомното ядро и са силоносните частици. Свързващата енергия, съхранявана в глюони, съставлява по-голямата част от масата на протоните, неутроните, водорода и всеки друг атом.

Ролята на Хигс бозона

Можем да спрем дотук, защото представихме произхода на по-голямата част от видимата маса във Вселената. Айнщайн не е знаел откъде идва масата на макроскопичните обекти, защото едва в края на 20 век физиците са успели да разберат произхода му.

Бозонът на Хигс е отговорен за масовото генериране. Чрез възбуждане на полето на Хигс, богът на Хигс дава маса, на основно ниво, на елементарни частици.

Историята на Хигс бозона започва със сериозен проблем във физиката на елементарните частици. От края на 20-ти век беше очевидно, че габаритните симетрии, споменати по-горе, са основни закони, които забраняват на силовите частици да имат маса.

Въпреки това, през 1983 г. масивните W и Z бозони бяха открити в Големия електрон-позитрон (LEP), предшественик на Големия адронен колайдер (LHC).

Това откритие беше истинска загадка: беше нарушен един от основните закони на природата, инвариантността на габарита. Отказът от неизменност на габарита би означавало, че физиката на частиците ще започне от нулата.

Изумително е, че теоретичните физици са успели да поддържат измервателните симетрии на основно ниво чрез въвеждане на механизма на Хигс, а също и чрез разбиването им, за да направят възможно съществуването на масивни частици W и Z в нашата Вселена.

За това постижение Шелдън Глашоу, Абдус Салам и Стивън Уайнбърг получиха Нобелова награда за физика през 1979 г. Механизмът на Хигс дава маса на елементарните частици и обяснява защо електроните, неутриното или кварките имат маса.

Въпреки това, масата на електрони, кварки и неутрино е незначителна в сравнение с масата, генерирана от глюони. Това означава, че механизмът на Хигс е незначителен на атомно ниво?

Отговорът е не! Без хигс бозона електроните няма да имат маса и всички атоми ще се срутят. Неутроните вече няма да се разпаднат, така че дори атомните ядра ще изглеждат много по-различно. Като цяло Вселената би била съвсем различно място, лишено от галактики, звезди и планети.

Тъмна материя

Можем ли да кажем сега, че знаем всичко за масата? За съжаление не. Само 5% от масата на Вселената идва от обикновена материя, чиято маса се разбира.

Почти 70% от масата на Вселената идва от тъмната енергия и около 25% от тъмната материя. Ние не само нямаме представа каква маса е това, но дори не знаем от какво се състои тъмната материя. Следователно можем да кажем, че историята на масата продължава.