มวลยังคงเป็นปริศนาสำหรับนักฟิสิกส์

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

มวลเป็นหนึ่งในแนวคิดพื้นฐานและในขณะเดียวกันก็มีแนวคิดลึกลับทางวิทยาศาสตร์ ในโลกของอนุภาคมูลฐานไม่สามารถแยกออกจากพลังงานได้ มันไม่ใช่ศูนย์แม้กระทั่งสำหรับนิวตริโน และส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในส่วนที่มองไม่เห็นของจักรวาล RIA Novosti บอกว่านักฟิสิกส์รู้อะไรเกี่ยวกับมวลและมีความลับอะไรบ้างที่เกี่ยวข้อง

ค่อนข้างและระดับประถมศึกษา

ในเขตชานเมืองของกรุงปารีส ที่สำนักงานใหญ่ของ International Bureau of Weights and Measures มีกระบอกสูบที่ทำจากโลหะผสมของแพลตตินั่มและอิริเดียมที่มีน้ำหนักหนึ่งกิโลกรัม นี่คือมาตรฐานของคนทั้งโลก มวลสามารถแสดงเป็นปริมาตรและความหนาแน่นได้ และถือได้ว่าเป็นเครื่องวัดปริมาณของสารในร่างกาย แต่นักฟิสิกส์ที่ศึกษาจุลภาคไม่พอใจกับคำอธิบายง่ายๆ เช่นนี้

ลองนึกภาพการย้ายกระบอกนี้ ความสูงไม่เกินสี่เซนติเมตรอย่างไรก็ตามจะต้องมีความพยายามที่เห็นได้ชัดเจน จะต้องใช้ความพยายามมากขึ้นในการเคลื่อนย้าย เช่น ตู้เย็น ความจำเป็นในการใช้แรงของฟิสิกส์อธิบายได้จากความเฉื่อยของวัตถุ และมวลถือเป็นสัมประสิทธิ์ที่เชื่อมระหว่างแรงกับความเร่งที่ได้ (F = ma)

มวลทำหน้าที่เป็นตัววัดไม่เพียงแต่การเคลื่อนที่ แต่ยังรวมถึงแรงโน้มถ่วงด้วย ซึ่งทำให้ร่างกายดึงดูดกันและกัน (F = GMm / R2) เมื่อเราไปถึงมาตราส่วน ลูกศรจะเบี่ยงเบน นี่เป็นเพราะมวลของโลกมีขนาดใหญ่มากและแรงโน้มถ่วงผลักเราไปสู่พื้นผิวอย่างแท้จริง บนดวงจันทร์ที่สว่างกว่า คนๆ หนึ่งมีน้ำหนักน้อยกว่าหกเท่า

แรงโน้มถ่วงไม่ลึกลับน้อยกว่ามวล สมมติฐานที่ว่าในขณะที่เคลื่อนที่วัตถุขนาดใหญ่บางชิ้นสามารถปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงนั้นได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี 2558 บนเครื่องตรวจจับ LIGO เท่านั้น สองปีต่อมา การค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบล

ตามหลักการสมมูลที่กาลิเลโอเสนอและกลั่นกรองโดยไอน์สไตน์ มวลความโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยจะเท่ากัน จากนี้ไปวัตถุขนาดใหญ่สามารถดัดกาลอวกาศได้ ดวงดาวและดาวเคราะห์สร้างช่องทางโน้มถ่วงรอบ ๆ ตัว โดยที่ดาวเทียมธรรมชาติและดาวเทียมประดิษฐ์จะหมุนรอบจนตกลงสู่ผิวน้ำ

มวลมาจากไหน

นักฟิสิกส์เชื่อว่าอนุภาคมูลฐานต้องมีมวล ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าอิเล็กตรอนและหน่วยการสร้างของจักรวาล - ควาร์ก - มีมวล มิฉะนั้นจะไม่สามารถสร้างอะตอมและสสารที่มองเห็นได้ทั้งหมด จักรวาลที่ไม่มีมวลจะเป็นความโกลาหลของควอนตั้มของการแผ่รังสีต่างๆ ที่วิ่งด้วยความเร็วแสง จะไม่มีกาแล็กซี ไม่มีดาว ไม่มีดาวเคราะห์

แต่อนุภาคได้มวลของมันมาจากไหน?

"เมื่อสร้างแบบจำลองมาตรฐานในฟิสิกส์อนุภาค - ทฤษฎีที่อธิบายปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่อ่อนแอและรุนแรงของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด ทำให้เกิดความยากลำบากอย่างมาก แบบจำลองนี้มีความแตกต่างที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เนื่องจากการมีอยู่ของมวลอนุภาคที่ไม่เป็นศูนย์" Alexander Studenikin กล่าว วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต ถึง RIA Novosti ศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ทฤษฎี ภาควิชาฟิสิกส์ Lomonosov Moscow State University

นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปค้นพบวิธีแก้ปัญหาในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ซึ่งบ่งชี้ว่ามีอีกสาขาหนึ่งในธรรมชาติ นั่นคือ สเกลาร์ มันแทรกซึมไปทั่วทั้งจักรวาล แต่อิทธิพลของมันสามารถสังเกตได้ในระดับจุลภาคเท่านั้น อนุภาคดูเหมือนจะติดอยู่ในนั้นจึงได้รับมวล

สนามสเกลาร์ลึกลับได้รับการตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Peter Higgs หนึ่งในผู้ก่อตั้ง Standard Model โบซอนซึ่งเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นในเขตฮิกส์ก็มีชื่อของเขาเช่นกัน มันถูกค้นพบในปี 2555 ในการทดลองที่ Large Hadron Collider ที่ CERN อีกหนึ่งปีต่อมา ฮิกส์ได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับฟรองซัวส์ เองเลอร์

ล่าผี

อนุภาค-ผี - นิวทริโน - ยังต้องได้รับการยอมรับว่ามีขนาดใหญ่อีกด้วยเกิดจากการสังเกตฟลักซ์นิวตริโนจากดวงอาทิตย์และรังสีคอสมิกซึ่งไม่สามารถอธิบายได้เป็นเวลานาน ปรากฎว่าอนุภาคสามารถเปลี่ยนเป็นสถานะอื่นในระหว่างการเคลื่อนไหวหรือการสั่นตามที่นักฟิสิกส์กล่าว เป็นไปไม่ได้หากไม่มีมวล

“นิวตริโนอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งถือกำเนิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ภายในดวงอาทิตย์ ในความหมายที่เข้มงวด ไม่สามารถพิจารณาอนุภาคมูลฐานได้ เนื่องจากมวลของพวกมันไม่มีความหมายที่แน่นอน แต่ในการเคลื่อนที่ พวกมันแต่ละอันถือได้ว่าเป็น การทับซ้อนของอนุภาคมูลฐาน (เรียกอีกอย่างว่านิวตริโน) ที่มีมวล m1, m2, m3 เนื่องจากความแตกต่างของความเร็วของมวลนิวตริโน เครื่องตรวจจับไม่เพียงตรวจจับอิเล็กตรอนนิวตริโนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงนิวตริโนประเภทอื่นๆ เช่น มิวนิกและเทานิวตริโน นี่เป็นผลสืบเนื่องมาจากการผสมและการสั่นที่คาดการณ์ไว้ในปี 1957 โดยบรูโน มักซิโมวิช ปอนเตคอร์โว ศาสตราจารย์สตูเดนิกินอธิบาย

มีการพิสูจน์แล้วว่ามวลของนิวตริโนต้องไม่เกินสองในสิบของอิเล็กตรอนโวลต์ แต่ยังไม่ทราบความหมายที่แน่นอน นักวิทยาศาสตร์กำลังทำสิ่งนี้ในการทดลอง KATRIN ที่สถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเฮอ (เยอรมนี) ซึ่งเปิดตัวเมื่อวันที่ 11 มิถุนายน

"คำถามเกี่ยวกับขนาดและธรรมชาติของมวลนิวทริโนเป็นหนึ่งในคำถามหลัก การแก้ปัญหาจะเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาแนวคิดของเราเกี่ยวกับโครงสร้างต่อไป" ศาสตราจารย์สรุป

ดูเหมือนว่าโดยหลักการแล้วทุกอย่างเป็นที่รู้จักเกี่ยวกับมวล แต่ยังคงชี้แจงความแตกต่าง แต่นี่ไม่ใช่กรณี นักฟิสิกส์ได้คำนวณสสารนั้น ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตของเรา ครอบครองเพียงร้อยละห้าของมวลของสสารในจักรวาล ส่วนที่เหลือเป็นสสารมืดและพลังงานสมมุติฐานซึ่งไม่ปล่อยสิ่งใดออกมาและไม่ได้ลงทะเบียน ส่วนต่าง ๆ ที่ไม่รู้จักเหล่านี้ของจักรวาลประกอบด้วยอนุภาคอะไร โครงสร้างของพวกเขาคืออะไร พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับโลกของเราอย่างไร นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไปจะต้องคิดออก