لا تزال الكتلة لغزا بالنسبة للفيزيائيين

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

الكتلة هي واحدة من المفاهيم الأساسية والغامضة في نفس الوقت في العلم. في عالم الجسيمات الأولية ، لا يمكن فصلها عن الطاقة. إنه ليس صفريًا حتى بالنسبة للنيوترينوات ، ويقع معظمه في الجزء غير المرئي من الكون. تخبرنا ريا نوفوستي بما يعرفه الفيزيائيون عن الكتلة وما هي الأسرار المرتبطة بها.

نسبيًا وابتدائيًا

في ضواحي باريس ، في مقر المكتب الدولي للأوزان والمقاييس ، توجد أسطوانة مصنوعة من سبيكة من البلاتين والإيريديوم تزن بالضبط كيلوغرامًا واحدًا. هذا هو المعيار للعالم كله. يمكن التعبير عن الكتلة من حيث الحجم والكثافة ويمكن اعتبار أنها تعمل كمقياس لكمية المادة في الجسم. لكن الفيزيائيين الذين يدرسون العالم المجهري غير راضين عن مثل هذا التفسير البسيط.

تخيل تحريك هذه الاسطوانة. لا يتجاوز ارتفاعه أربعة سنتيمترات ؛ ومع ذلك ، يجب بذل جهد ملحوظ. سوف يتطلب الأمر المزيد من الجهد لتحريك الثلاجة ، على سبيل المثال. يتم تفسير الحاجة إلى تطبيق قوة من الفيزياء من خلال القصور الذاتي للأجسام ، وتعتبر الكتلة بمثابة معامل يربط بين القوة والتسارع الناتج (F = ma).

تعمل الكتلة كمقياس ليس فقط للحركة ، ولكن أيضًا للجاذبية ، مما يجعل الأجسام تتجاذب مع بعضها البعض (F = GMm / R2). عندما نصل إلى الميزان ، ينحرف السهم. هذا لأن كتلة الأرض كبيرة جدًا ، وقوة الجاذبية تدفعنا حرفيًا إلى السطح. على قمر أخف وزنه أقل بست مرات.

الجاذبية ليست أقل غموضا من الكتلة. الافتراض بأنه أثناء تحريك بعض الأجسام الضخمة جدًا يمكن أن تنبعث منها موجات ثقالية تم تأكيده تجريبيًا فقط في عام 2015 على كاشف LIGO. بعد ذلك بعامين ، حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل.

وفقًا لمبدأ التكافؤ الذي اقترحه جاليليو وصقله أينشتاين ، فإن كتل الجاذبية والقصور الذاتي متساوية. ويترتب على ذلك أن الأجسام الضخمة قادرة على ثني الزمكان. تخلق النجوم والكواكب مسارات جاذبية حولها ، حيث تدور الأقمار الصناعية الطبيعية والاصطناعية حتى تسقط على السطح.

من أين تأتي الكتلة

الفيزيائيون مقتنعون بأن الجسيمات الأولية يجب أن يكون لها كتلة. ثبت أن الإلكترون ولبنات بناء الكون - الكواركات - لها كتلة. وإلا فلن يتمكنوا من تكوين الذرات وكل المواد المرئية. الكون بدون كتلة سيكون بمثابة فوضى في الكميات ذات الإشعاع المتنوع ، الاندفاع بسرعة الضوء. لن تكون هناك مجرات ولا نجوم ولا كواكب.

ولكن من أين يحصل الجسيم على كتلته؟

"عند إنشاء النموذج القياسي في فيزياء الجسيمات - وهي نظرية تصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية لجميع الجسيمات الأولية ، نشأت صعوبات كبيرة. احتوى النموذج على اختلافات لا يمكن تجنبها بسبب وجود كتل غير صفرية من الجسيمات ،" كما يقول ألكسندر ستوديكين ، دكتوراه في العلوم من RIA Novosti. أستاذ قسم الفيزياء النظرية ، قسم الفيزياء ، جامعة لومونوسوف موسكو الحكومية.

تم العثور على الحل من قبل علماء أوروبيين في منتصف الستينيات ، مما يشير إلى وجود مجال آخر في الطبيعة - مجال قياسي. إنه يتغلغل في الكون بأسره ، لكن تأثيره لا يمكن ملاحظته إلا على المستوى الجزئي. يبدو أن الجسيمات عالقة فيه وبالتالي تكتسب كتلة.

تمت تسمية الحقل القياسي الغامض على اسم الفيزيائي البريطاني بيتر هيغز ، أحد مؤسسي النموذج القياسي. البوزون ، وهو جسيم ضخم ينشأ في حقل هيغز ، يحمل اسمه أيضًا. تم اكتشافه في عام 2012 في تجارب في مصادم هادرون الكبير في سيرن. بعد عام ، حصل هيغز على جائزة نوبل مع فرانسوا إنجلر.

صيد الاشباح

كان لابد أيضًا من التعرف على شبح الجسيمات - النيوترينو - على أنه ضخم.هذا يرجع إلى ملاحظات تدفقات النيوترينو من الشمس والأشعة الكونية ، والتي لا يمكن تفسيرها لفترة طويلة. اتضح أن الجسيم قادر على التحول إلى حالات أخرى أثناء الحركة ، أو التذبذب ، كما يقول علماء الفيزياء. هذا مستحيل بدون كتلة.

"النيوترينوات الإلكترونية ، التي ولدت ، على سبيل المثال ، في باطن الشمس ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يمكن اعتبارها جسيمات أولية ، لأن كتلتها ليس لها معنى محدد. ولكن أثناء الحركة ، يمكن اعتبار كل واحدة منها تراكب الجسيمات الأولية (وتسمى أيضًا النيوترينوات) مع كتل m1، m2، m3. نظرًا للاختلاف في سرعة كتلة النيوترينوات ، لا يكتشف الكاشف نيوترينوات الإلكترون فحسب ، بل يكتشف أيضًا نيوترينوات من أنواع أخرى ، مثل نيوترينوات موونيك وتاو. هذا هو نتيجة الاختلاط والتذبذبات التي تنبأ بها برونو ماكسيموفيتش بونتيكورفو في عام 1957 "، يوضح البروفيسور ستودينيكين.

لقد ثبت أن كتلة النيوترينو لا يمكن أن تتجاوز عشرين من إلكترون فولت. لكن المعنى الدقيق لا يزال غير معروف. يقوم العلماء بذلك في تجربة KATRIN في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (ألمانيا) ، والتي تم إطلاقها في 11 يونيو.

ويخلص البروفيسور إلى أن "مسألة حجم وطبيعة كتلة النيوترينو هي واحدة من الأسئلة الرئيسية. وسيكون حلها بمثابة أساس لمزيد من التطوير لأفكارنا حول الهيكل".

يبدو أنه ، من حيث المبدأ ، كل شيء معروف عن الكتلة ، يبقى توضيح الفروق الدقيقة. ولكن هذا ليس هو الحال. لقد حسب الفيزيائيون أن المادة القابلة للملاحظة ، تحتل فقط خمسة بالمائة من كتلة المادة في الكون. الباقي عبارة عن مادة وطاقة مظلمة افتراضية ، والتي لا تنبعث منها أي شيء ، وبالتالي فهي غير مسجلة. ما هي الجسيمات التي تتكون منها هذه الأجزاء المجهولة من الكون ، وما هو هيكلها ، وكيف تتفاعل مع عالمنا؟ سيتعين على الأجيال القادمة من العلماء اكتشاف ذلك.