Mi az Asztaltudomány Online
Mi az asztal?
Az elemi részecskéket, például elektronokat, Higgs-bozonokat vagy fotonokat tömeg, elektromos töltés, spin.
A részecskék tömege fontos tulajdonság, amelyet meg kell értenünk, mert ez alapozza meg az elemi részecskék fizikáját.
Mi az asztal? Miért van egyes részecskék tömege, másoknak nincs? És különösen: miért van részecskék tömege?
Hogy megválaszoljuk ezeket a kérdéseket, és túllépjünk azon, amit Albert Einstein tudott a tömegről, térjünk ki a részecskefizikára és az általános relativitáselméletre.
Tömegmérés
Egy tanár azt mondta nekem egyszer, hogy a fizikai tulajdonság legjobb meghatározása az, hogy miként mérhető. Ezt a definíciót követve nézzük meg, hogyan mérhetjük meg a tömeget.
Amikor egy skálára lép, rögzíti a súlyát. A Föld ugyanis gravitációs erővel vonzza Önt. A gravitációs erő köztetek és a Föld között azért létezik, mert Önnek és a Földnek is van tömege.
Ha ugyanarra a léptékre lépne a Holdon, akkor a súlyának csak egy részét rögzítené a Földön. Pontosabban ennek egyhatoda (a leghatékonyabb fogyókúrás módszer: fogyja el a testsúly 83% -át a Holdra repüléssel).
A Holdra eső súlya kisebb, mivel a Hold tömege kisebb, mint a Föld tömege, valamint a Hold és Ön közötti gravitációs erő arányos a Hold (M) és a tömegével (m). Ezt az F = GMm/(R ^ 2) képlet adja meg, ahol R a Hold sugara, G-t pedig Newton gravitációs állandójának nevezzük.
A tömeg a gravitációs interakció feladata, és enélkül nincs gravitációs erő. A fizikusok ezt a tömeget gravitációs tömegnek nevezik.
Amikor kinyit egy ajtót, erővel nyomja meg, különben az ajtó nem nyílik ki. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ajtónak van egy tömege, amely tehetetlenségként nyilvánul meg, vagyis ellenzi mozgásállapotának megváltozását.
Newton második törvénye kimondja, hogy az objektum mozgási állapotának megváltoztatásához szükséges erő arányos a tehetetlenségi tömegével (F = ma). Könnyebb ugyanolyan gyorsítással könnyű ajtót tolni, mint a nehézhez.
A tömeg egyesítése
Einstein az egyenértékűség elvén keresztül egyesítette a gravitációs tömeget és a tehetetlenségi tömeget. Egyszerűen kijelenti, hogy a gravitációs és a tehetetlenségi tömeg ekvivalens.
Ennek az egyszerű kijelentésnek, valamint annak az elképzelésnek, hogy a fizika matematikai egyenletei nem függhetnek a referenciarendszertől, jelentős következményei vannak. Einstein gravitációs mezőegyenletei az ekvivalencia elv alkalmazásából adódtak, és leírják, hogy a tömeg hogyan görbíti meg a téridőt.
Einstein egyenleteinek jelentése egyszerű: a tömeg deformálja a tér-idő kontinuumot, az ívelt téridő pedig meghatározza, hogy az objektumok miként tömörülnek.
A gravitáció geometriai elmélete, amelyet Albert Einstein fogant meg, kijelenti, hogy a Föld kering a Nap körül, és követi a tér-idő szerkezet görbületét, amelyet a Nap jelenléte határoz meg.
Ha a Napnak nem volt tömege, akkor a Föld már nem tudta követni a körülötte lévő pályát, és egyenes vonalban távolodhatott el.
Einstein tudta mindezt és még sok mást. Ő fogalmazta meg a speciális relativitáselméletet és az általános relativitáselméletet. Rájött, hogyan kapcsolódik össze a tömeg, a gravitáció és az energia. Sajnos nem volt alkalma megtudni a választ arra a kérdésre: miért a tömeg a testek belső tulajdonsága?.
A modern elemi részecskefizika adta meg a választ erre a kérdésre 2012-ben, amikor végül felfedezték a Higgs-bozont.
A fenti kérdés azért fontos, mert mint korábban bemutattuk, tömeg nélkül nem lenne gravitáció. Vagy létezne? Nos, a gravitáció tömeg hiányában is létezik.
Vegyünk például egy fotont. Nincs asztala. A mai ismeretek alapján a részecskefizika alaptörvénye, amelyet mérőszimmetriának nevezünk, nem teszi lehetővé, hogy egy erőhordozó részecskének, beleértve a fotont is, legyen tömege.
A fotont azonban vonzza a Nap. A csillagászati megfigyelések egyértelműen azt mutatják, hogy egy nagyon távoli galaxis fénye, közvetlenül a Nap mögött helyezkedik el, mindkét oldalán megfigyelhető. A Nap gravitációs mezője görbíti a fénysugarakat, és ez az 1919-ből származó megállapítás bizonyította, hogy az általános relativitáselmélet helyes.
A fény elhúzódik a gravitációs mezőben az E = mc ^ 2 egyenlet szerint. Ez azt mondja nekünk, hogy gravitációs szempontból az energia és a tömeg egyenértékű. A foton energiával rendelkezik, ezért vonzza a Nap.
Fontos az a tény, hogy az energiának gravitációs hatása van, mert a körülöttünk lévő tömeg nagy része valójában energia. A galaxisok és a csillagok látható részei főleg hidrogénből, azaz csak protonokból és elektronokból állnak.
A föld különböző atomokat tartalmaz, és ezek nukleonokból (protonok és neutronok) és elektronokból állnak. Az elektronok 2000-szer könnyebbek, mint a nukleonok, ezért a teljes tömeghez való hozzájárulásuk sokkal kisebb, mint a nukleonoké. Sőt, a protonok és a neutronok tömegének nagy részét a gluonokban tárolt energia képviseli.
A glükonok protonokat és neutronokat tartanak össze az atommagban, és az erőt hordozó részecskék. A gluonokban tárolt kötési energia alkotja a protonok, neutronok, hidrogén és bármely más atom tömegének nagy részét.
A Higgs-bozon szerepe
Itt megállhatnánk, mert bemutattuk az Univerzum látható tömegének nagy részét. Einstein nem tudta, honnan származik a makroszkopikus tárgyak tömege, mert a fizikusok csak a 20. század végén tudták megérteni eredetét.
A Higgs bozon felelős a tömegtermelésért. A Higgs-mező izgalmával a Higgs-bozon alapvető szinten tömeget ad az elemi részecskéknek.
A Higgs-bozon története a részecskefizika súlyos problémájával kezdődött. A 20. század végétől nyilvánvaló volt, hogy a fent említett mérőszimmetriák alapvető törvények, amelyek megtiltják az erőhordozó részecskék tömegét.
Azonban 1983-ban felfedezték a hatalmas W és Z bozonokat a nagy elektron-pozitronban (LEP), a nagy hadron ütköző (LHC) elődjében.
Ez a felfedezés igazi rejtély volt: megsértették a természet egyik alapvető törvényét, a mérőszám változatlanságát. A mérőszám változatlanságának feladása azt jelentette volna, hogy a részecskefizika a semmiből indul.
Bámulatos, hogy az elméleti fizikusoknak sikerült a mérőszimmetriákat alapvető szinten tartaniuk a Higgs-mechanizmus bevezetésével, valamint azok megtörésével, hogy lehetővé tegyék hatalmas W és Z részecskék létezését univerzumunkban.
Sheldon Glashow, Abdus Salam és Steven Weinberg 1979-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. A Higgs-mechanizmus az elemi részecskéknek ad tömeget, és megmagyarázza, miért van tömegük az elektronoknak, a neutrínóknak vagy a kvarkoknak.
Az elektronok, kvarkok és neutrínók tömege azonban elhanyagolható a gluonok által generált tömeghez képest. Ez azt jelenti, hogy a Higgs-mechanizmus atomi szinten elhanyagolható?
A válasz nem! A Higgs-bozon nélkül az elektronoknak nincs tömege, és az összes atom összeomlik. A neutronok már nem bomlanak szét, így még az atommagok is nagyon másképp néznének ki. Összességében az Univerzum egy egészen más hely lenne, ahol nincsenek galaxisok, csillagok és bolygók.
Sötét anyag
Mondhatjuk most, hogy mindent tudunk az asztalról? Sajnos nem. Az univerzum tömegének csupán 5% -a származik közönséges anyagból, amelynek tömegét megértik.
A világegyetem tömegének majdnem 70% -a sötét energiából származik, és körülbelül 25% -a sötét anyagból származik. Nem csak fogalmunk sincs, hogy ez milyen tömeg, de azt sem tudjuk, hogy mi a sötét anyag. Következésképpen azt mondhatjuk, hogy a mise története folytatódik.