Die Messe ist eines der grundlegenden und gleichzeitig mysteriösen Konzepte in der Wissenschaft. In der Welt der Elementarteilchen kann es nicht von der Energie getrennt werden. Selbst für Neutrinos ist es ungleich Null, und das meiste davon befindet sich im unsichtbaren Teil des Universums. RIA Novosti erzählt, was Physiker über Masse wissen und welche Geheimnisse damit verbunden sind.
Relativ und elementar
In den Vororten von Paris, am Hauptsitz des Internationalen Büros für Maße und Gewichte, befindet sich ein Zylinder aus einer Legierung aus Platin und Iridium mit einem Gewicht von genau einem Kilogramm. Dies ist der Standard für die ganze Welt. Masse kann als Volumen und Dichte ausgedrückt werden und es kann angenommen werden, dass sie als Maß für die Menge an Materie im Körper dient. Aber Physiker, die die Mikrowelt studieren, sind mit einer so einfachen Erklärung nicht zufrieden.
Stellen Sie sich vor, Sie bewegen diesen Zylinder. Seine Höhe überschreitet nicht vier Zentimeter, dennoch müssen spürbare Anstrengungen unternommen werden. Das Bewegen beispielsweise eines Kühlschranks erfordert noch mehr Aufwand. Die Notwendigkeit, die Kraft der Physik anzuwenden, wird durch die Trägheit der Körper erklärt, und die Masse wird als Koeffizient betrachtet, der die Kraft und die resultierende Beschleunigung verbindet (F = ma).
Die Masse dient nicht nur als Maß für die Bewegung, sondern auch für die Schwerkraft, wodurch die Körper gezwungen werden, sich gegenseitig anzuziehen (F = GMm / R2). Wenn wir auf die Skala kommen, wird der Pfeil abgelenkt. Dies liegt daran, dass die Masse der Erde sehr groß ist und die Schwerkraft uns buchstäblich an die Oberfläche drückt. Bei einem helleren Mond wiegt eine Person sechsmal weniger.
Die Schwerkraft ist nicht weniger mysteriös als die Masse. Die Annahme, dass einige sehr massive Körper beim Bewegen Gravitationswellen emittieren können, wurde erst 2015 am LIGO-Detektor experimentell bestätigt. Zwei Jahre später wurde diese Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Nach dem von Galileo vorgeschlagenen und von Einstein verfeinerten Äquivalenzprinzip sind Gravitations- und Trägheitsmassen gleich. Daraus folgt, dass massive Objekte Raum-Zeit biegen können. Sterne und Planeten bilden um sie herum Gravitationstrichter, in denen sich natürliche und künstliche Satelliten drehen, bis sie an die Oberfläche fallen.
Werbevideo:
Quark interagiert mit dem Higgs-Feld / Illustration RIA Novosti / Alina Polyanina.
Woher kommt die Masse?
Physiker sind überzeugt, dass Elementarteilchen Masse haben müssen. Es wurde bewiesen, dass das Elektron und die Bausteine des Universums - Quarks - Masse haben. Andernfalls könnten sie keine Atome und keine sichtbare Materie bilden. Ein masseloses Universum wäre ein Chaos von Quanten verschiedener Strahlung, die mit Lichtgeschwindigkeit rasen. Es würde keine Galaxien geben, keine Sterne, keine Planeten.
Aber woher kommt die Masse?
„Bei der Erstellung des Standardmodells in der Teilchenphysik - einer Theorie, die die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung aller Elementarteilchen beschreibt - traten große Schwierigkeiten auf. Das Modell enthielt unvermeidbare Abweichungen aufgrund des Vorhandenseins von Massen ungleich Null in Partikeln “, sagt Alexander Studenikin, Doktor der Wissenschaften, Professor am Institut für Theoretische Physik des Fachbereichs Physik der Staatlichen Universität Lomonossow Moskau, RIA Nowosti.
Die Lösung wurde Mitte der 1960er Jahre von europäischen Wissenschaftlern gefunden, was darauf hindeutet, dass es in der Natur ein anderes Gebiet gibt - ein skalares. Es durchdringt das gesamte Universum, aber sein Einfluss ist nur auf Mikroebene spürbar. Die Partikel scheinen darin zu stecken und nehmen so Masse an.
Das mysteriöse Skalarfeld wurde nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannt, einem der Gründer des Standardmodells. Das Boson ist auch nach ihm benannt - ein massives Teilchen, das im Higgs-Feld entsteht. Es wurde 2012 in Experimenten am Large Hadron Collider am CERN entdeckt. Ein Jahr später erhielt Higgs zusammen mit François Engler den Nobelpreis.
Geisterjagd
Das Geisterteilchen - Neutrino - musste ebenfalls als massiv erkannt werden. Dies ist auf Beobachtungen von Neutrino-Flüssen von der Sonne und kosmischen Strahlen zurückzuführen, die lange Zeit nicht erklärt werden konnten. Es stellte sich heraus, dass ein Teilchen während der Bewegung in andere Zustände übergehen oder oszillieren kann, wie Physiker sagen. Dies ist ohne Masse nicht möglich.
„Elektronische Neutrinos, die beispielsweise im Inneren der Sonne im engeren Sinne geboren werden, können nicht als Elementarteilchen betrachtet werden, da ihre Masse keine bestimmte Bedeutung hat. In Bewegung kann jeder von ihnen als Überlagerung von Elementarteilchen (auch Neutrinos genannt) mit den Massen m1, m2, m3 betrachtet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit von Massenneutrinos erkennt der Detektor nicht nur Elektronenneutrinos, sondern auch Neutrinos anderer Typen, beispielsweise Myon- und Tau-Neutrinos. Dies ist eine Folge der 1957 von Bruno Maksimovich Pontecorvo vorhergesagten Vermischung und Schwingungen “, erklärt Professor Studenikin.
Es wurde festgestellt, dass die Masse eines Neutrinos zwei Zehntel eines Elektronenvolt nicht überschreiten kann. Die genaue Bedeutung ist jedoch noch nicht bekannt. Wissenschaftler tun dies im KATRIN-Experiment am 11. Juni am Karlsruher Institut für Technologie (Deutschland).
„Die Frage nach der Größe und Art der Neutrinomasse ist eine der wichtigsten. Seine Entscheidung wird als Grundlage für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Struktur dienen - schließt der Professor.
Es scheint, dass im Prinzip alles über die Masse bekannt ist, es bleibt die Nuancen zu klären. Aber das ist nicht so. Physiker haben berechnet, dass die Materie, die wir beobachten, nur fünf Prozent der Masse der Materie im Universum einnimmt. Der Rest ist hypothetische dunkle Materie und Energie, die nichts aussenden und daher nicht registriert sind. Aus welchen Teilchen bestehen diese unbekannten Teile des Universums, wie ist ihre Struktur, wie interagieren sie mit unserer Welt? Die nächsten Generationen von Wissenschaftlern werden es herausfinden müssen.
Tatiana Pichugina
