Khối lượng vẫn là một bí ẩn đối với các nhà vật lý

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Khối lượng là một trong những khái niệm cơ bản và đồng thời bí ẩn trong khoa học. Trong thế giới của các hạt cơ bản, nó không thể tách rời năng lượng. Nó là phizero ngay cả đối với neutrino, và hầu hết nó nằm ở phần vô hình của Vũ trụ. RIA Novosti cho biết các nhà vật lý biết gì về khối lượng và những bí mật nào liên quan đến nó.

Tương đối và sơ cấp

Ở ngoại ô Paris, tại trụ sở của Văn phòng Trọng lượng và Đo lường Quốc tế, có một hình trụ làm bằng hợp kim của platin và iridi nặng đúng một kg. Đây là tiêu chuẩn chung cho toàn thế giới. Khối lượng có thể được biểu thị bằng thể tích và khối lượng riêng và có thể coi nó là thước đo lượng vật chất trong cơ thể. Nhưng các nhà vật lý nghiên cứu microworld không hài lòng với cách giải thích đơn giản như vậy.

Hãy tưởng tượng di chuyển hình trụ này. Chiều cao của nó không vượt quá bốn cm; tuy nhiên, cần phải có một nỗ lực đáng kể. Chẳng hạn, bạn sẽ phải nỗ lực nhiều hơn để di chuyển tủ lạnh. Sự cần thiết phải tác dụng một lực vật lý được giải thích bằng quán tính của các vật thể, và khối lượng được coi là hệ số liên kết giữa lực và gia tốc kết quả (F = ma).

Khối lượng không chỉ là thước đo của chuyển động mà còn của trọng lực, làm cho các vật hút nhau (F = GMm / R2). Khi chúng ta lên cân, mũi tên sẽ chệch hướng. Điều này là do khối lượng của Trái đất rất lớn, và lực hấp dẫn đẩy chúng ta lên bề mặt theo đúng nghĩa đen. Trên một mặt trăng nhẹ hơn, một người nặng hơn sáu lần.

Lực hấp dẫn cũng bí ẩn không kém gì khối lượng. Giả thiết rằng trong khi di chuyển, một số vật thể rất lớn có thể phát ra sóng hấp dẫn chỉ được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 2015 trên máy dò LIGO. Hai năm sau, khám phá này đã được trao giải Nobel.

Theo nguyên lý tương đương do Galileo đề xuất và được Einstein hoàn thiện, khối lượng hấp dẫn và quán tính là bằng nhau. Do đó, các vật thể khổng lồ có khả năng bẻ cong không-thời gian. Các ngôi sao và hành tinh tạo ra các phễu hấp dẫn xung quanh chúng, trong đó các vệ tinh tự nhiên và nhân tạo quay vòng cho đến khi chúng rơi xuống bề mặt.

Khối lượng đến từ đâu

Các nhà vật lý tin chắc rằng các hạt cơ bản phải có khối lượng. Người ta chứng minh rằng electron và các khối cấu tạo của vũ trụ - các hạt quark - có khối lượng. Nếu không, chúng không thể hình thành nguyên tử và tất cả các vật chất nhìn thấy được. Một vũ trụ không có khối lượng sẽ là một hỗn hợp của các lượng tử bức xạ khác nhau, lao đi với tốc độ ánh sáng. Sẽ không có thiên hà, không có ngôi sao, không có hành tinh.

Nhưng hạt có khối lượng từ đâu?

Alexander Studenikin nói: Khi tạo ra Mô hình Chuẩn trong vật lý hạt - một lý thuyết mô tả các tương tác điện từ, yếu và mạnh của tất cả các hạt cơ bản. Tiến sĩ Khoa học, thuộc RIA Novosti, Giáo sư Khoa Vật lý Lý thuyết, Khoa Vật lý, Đại học Tổng hợp Lomonosov Moscow.

Giải pháp được các nhà khoa học châu Âu tìm ra vào giữa những năm 1960, cho thấy rằng có một trường khác trong tự nhiên - một trường vô hướng. Nó tràn ngập toàn bộ Vũ trụ, nhưng ảnh hưởng của nó chỉ đáng chú ý ở mức vi mô. Các hạt dường như bị mắc kẹt trong nó và do đó tăng khối lượng.

Trường vô hướng bí ẩn được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh Peter Higgs, một trong những người sáng lập ra Mô hình Chuẩn. Một boson, một hạt khối lượng lớn phát sinh trong trường Higgs, cũng mang tên ông. Nó được phát hiện vào năm 2012 trong các thí nghiệm tại Máy va chạm Hadron Lớn tại CERN. Một năm sau, Higgs được trao giải Nobel cùng với François Engler.

Thợ săn ma

Hạt-ma - neutrino - cũng phải được công nhận là có khối lượng lớn. Điều này là do các quan sát về thông lượng neutrino từ Mặt trời và các tia vũ trụ, điều này không thể giải thích được trong một thời gian dài. Các nhà vật lý nói rằng hóa ra một hạt có khả năng biến đổi thành các trạng thái khác trong quá trình chuyển động, hoặc dao động. Điều này là không thể nếu không có khối lượng.

"Các hạt neutrino điện tử, được sinh ra, chẳng hạn như bên trong Mặt trời, theo nghĩa chặt chẽ không thể được coi là các hạt cơ bản, vì khối lượng của chúng không có ý nghĩa xác định. Nhưng trong chuyển động, mỗi hạt có thể được coi là một sự chồng chất của các hạt cơ bản (còn gọi là neutrino) có khối lượng m1, m2, m3. Do sự khác biệt về tốc độ của neutrino khối lượng, máy dò không chỉ phát hiện neutrino electron mà còn cả neutrino thuộc các loại khác, chẳng hạn như neutrino muonic và tau. Đây là hệ quả của sự trộn lẫn và dao động được dự đoán vào năm 1957 bởi Bruno Maksimovich Pontecorvo, "Giáo sư Studenikin giải thích.

Người ta đã xác định được rằng khối lượng của một neutrino không được vượt quá hai phần mười của một vôn điện tử. Nhưng ý nghĩa chính xác vẫn chưa được biết. Các nhà khoa học đang thực hiện điều này trong thí nghiệm KATRIN tại Viện Công nghệ Karlsruhe (Đức), được khởi động vào ngày 11/6.

"Câu hỏi về độ lớn và bản chất của khối lượng neutrino là một trong những câu hỏi chính. Giải pháp của nó sẽ là cơ sở cho sự phát triển thêm các ý tưởng của chúng tôi về cấu trúc", giáo sư kết luận.

Có vẻ như, về nguyên tắc, mọi thứ đã biết về khối lượng, nó vẫn phải làm rõ các sắc thái. Nhưng đây không phải là trường hợp. Các nhà vật lý đã tính toán rằng vật chất mà chúng ta có thể quan sát được, chỉ chiếm 5% khối lượng vật chất trong vũ trụ. Phần còn lại là vật chất và năng lượng tối giả định, không phát ra bất cứ thứ gì và do đó không được đăng ký. Những phần chưa biết này của vũ trụ bao gồm những hạt nào, cấu trúc của chúng là gì, chúng tương tác với thế giới của chúng ta như thế nào? Các thế hệ tiếp theo của các nhà khoa học sẽ phải tìm ra điều đó.