Що таке Table Science Online
Що таке стіл?
Елементарні частинки, такі як електрони, бозони Хіггса або фотони, описуються масою, електричним зарядом, спіном.
Маса частинки - важлива властивість, яку ми повинні зрозуміти, оскільки вона лежить в основі фізики елементарних частинок.
Що таке стіл? Чому одні частинки мають масу, а інші - ні? І особливо: чому частинки мають масу?
Щоб відповісти на ці запитання і вийти за рамки того, що Альберт Ейнштейн знав про масу, давайте перейдемо до фізики частинок та загальної теорії відносності.
Вимірювання маси
Одного разу вчитель сказав мені, що найкращим визначенням фізичної властивості є спосіб її вимірювання. Дотримуючись цього визначення, давайте подивимось, як ми можемо виміряти масу.
Коли ви наступаєте на вагу, вона фіксує вашу вагу. Це тому, що Земля приваблює вас через силу тяжіння. Гравітаційна сила між вами і Землею існує, бо і ви, і Земля маєте масу.
Якби ви ступили на однаковій шкалі на Місяці, то вона зафіксувала б на Землі лише частину вашої ваги. Точніше, шоста частина цього (найефективніший метод схуднення: втрачайте 83% ваги тіла, летячи на Місяць).
Ваша вага на Місяці менша, оскільки маса Місяця менша за масу Землі та сили тяжіння між Місяцем, а ви пропорційні масі Місяця (М) та вашій масі (м). Це дається формулою F = GMm/(R ^ 2), де R - радіус Місяця, а G називається гравітаційною константою Ньютона.
Маса є завданням гравітаційної взаємодії, і без неї немає гравітаційної сили. Фізики називають цю масу гравітаційною масою.
Коли ви відкриваєте двері, ви повинні натиснути на них із силою, інакше двері не відкриються. Це пов’язано з тим, що двері мають масу, яка проявляється як інерція, тобто вона виступає проти зміни свого стану руху.
Другий закон Ньютона стверджує, що сила, необхідна для зміни стану руху об’єкта, пропорційна його інерційній масі (F = ma). Легше натиснути, з однаковим прискоренням, легкі двері в порівнянні з важкими.
Об'єднання маси
Ейнштейн уніфікував гравітаційну масу та інерційну масу за принципом еквівалентності. Він просто стверджує, що гравітаційна та інерційна маса рівнозначні.
Однак це просте твердження разом із думкою про те, що математичні рівняння фізики не повинні залежати від системи відліку, має серйозні наслідки. Рівняння гравітаційного поля Ейнштейна виникли в результаті застосування принципу еквівалентності, і вони описують, як крива маси простір-час.
Сенс рівнянь Ейнштейна простий: маса деформує просторово-часовий континуум, а криволінійний просторовий час визначає рух об'єктів, що мають масу.
Геометрична теорія гравітації, задумана Альбертом Ейнштейном, стверджує, що Земля обертається навколо Сонця і дотримується кривизни просторово-часової структури, що визначається наявністю Сонця.
Якби у Сонця не було маси, то Земля вже не могла йти по траєкторії навколо нього і віддалятися по прямій.
Ейнштейн знав усе це та багато іншого. Саме він сформулював теорію спеціальної теорії відносності та теорію загальної теорії відносності. Він зрозумів, як пов’язані маса, сила тяжіння та енергія. На жаль, він не мав можливості знайти відповідь на питання: чому маса є внутрішньою властивістю тіл?.
Сучасна фізика елементарних частинок - це та, що дала нам відповідь на це питання в 2012 році, коли нарешті було відкрито бозон Хіггса.
Вищезазначене питання важливе, оскільки, як ми вже показували раніше, без маси не було б сили тяжіння. Або він існував би? Ну, гравітація існує і за відсутності маси.
Розглянемо, наприклад, фотон. У ньому немає столу. Виходячи з того, що ми знаємо сьогодні, фундаментальний закон у фізиці частинок, який називається каліброваною симетрією, не дозволяє силовій частинці, включаючи фотон, мати масу.
Однак фотон притягується до Сонця. Астрономічні спостереження чітко показують, що світло з дуже віддаленої галактики, розташованої відразу за Сонцем, можна спостерігати по обидва боки від неї. Гравітаційне поле Сонця вигинає промені світла, і ця знахідка, датована 1919 роком, стала доказом правильності теорії загальної теорії відносності.
Світло відхиляється в гравітаційному полі згідно рівняння E = mc ^ 2. Це говорить нам про те, що з гравітаційної точки зору енергія та маса еквівалентні. Фотон має енергію, і тому його приваблює Сонце.
Той факт, що енергія має гравітаційні ефекти, є важливим, оскільки більша частина маси навколо нас насправді є енергією. Видимі частини галактик і зірок в основному складаються з водню, тобто лише з протонів та електронів.
Земля містить різні атоми, і вони складаються з нуклонів (протонів і нейтронів) та електронів. Електрони в 2000 разів легші за нуклони, тому їх внесок у загальну масу набагато менший, ніж у нуклонів. Більше того, більша частина маси протонів і нейтронів представлена енергією, що зберігається в глюонах.
Глюони утримують в атомному ядрі протони та нейтрони і є силоносними частинками. Енергія зв'язку, що зберігається в глюонах, становить основну масу протонів, нейтронів, водню та будь-якого іншого атома.
Роль бозона Хіггса
Ми могли б зупинитися на цьому, оскільки представили походження більшості видимої маси у Всесвіті. Ейнштейн не знав, звідки взялася маса макроскопічних об’єктів, оскільки лише в кінці 20 століття фізики змогли зрозуміти його походження.
Бозон Хіггса відповідає за масове генерування. Збуджуючи поле Хіггса, бозон Хіггса дає основні маси елементарним частинкам.
Історія бозона Хіггса почалася з серйозної проблеми у фізиці частинок. З кінця 20 століття було очевидним, що згадані вище калібровані симетрії є фундаментальними законами, що забороняють силові частинки мати масу.
Однак у 1983 році масивні бозони W та Z були виявлені у Великому електроні-позитроні (LEP), попереднику Великого адронного колайдера (LHC).
Це відкриття стало справжньою загадкою: був порушений один із фундаментальних законів природи, каліброва незмінність. Відмова від калібрної інваріантності означав би, що фізика частинок починатиметься з нуля.
Дивно, але фізикам-теоретикам вдалося зберегти калібровані симетрії на фундаментальному рівні, запровадивши механізм Гіггса, а також порушивши їх, щоб зробити можливим існування масивних частинок W і Z у нашому Всесвіті.
За це досягнення Шелдон Глашоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберг отримали Нобелівську премію з фізики в 1979 р. Механізм Хіггса надає масу елементарним частинкам і пояснює, чому електрони, нейтрино або кварки мають масу.
Однак маса електронів, кварків та нейтрино незначна порівняно з масою, що генерується глюонами. Це означає, що механізм Хіггса є незначним на атомному рівні?
Відповідь - ні! Без бозона Хіггса електрони не мали б маси, а всі атоми руйнувалися. Нейтрони більше не будуть розпадатися, тому навіть атомні ядра виглядатимуть зовсім інакше. Загалом, Всесвіт був би зовсім іншим місцем, позбавленим галактик, зірок і планет.
Темна матерія
Чи можемо ми сказати тепер, що ми знаємо все про стіл? На жаль ні. Лише 5% маси Всесвіту походить від звичайної речовини, маса якої зрозуміла.
Майже 70% маси Всесвіту походить від темної енергії та близько 25% від темної речовини. Ми не тільки не маємо уявлення, що це за маса, але ми навіть не знаємо, з чого створена темна матерія. Отже, можна сказати, що історія меси продовжується.