جرم هنوز برای فیزیکدانان یک راز است

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

جرم یکی از مفاهیم اساسی و در عین حال مرموز در علم است. در دنیای ذرات بنیادی نمی توان آن را از انرژی جدا کرد. حتی برای نوترینوها نیز غیر صفر است و بیشتر آن در قسمت نامرئی کیهان قرار دارد. RIA Novosti می گوید که فیزیکدانان در مورد جرم چه می دانند و چه رازهایی با آن مرتبط است.

نسبی و ابتدایی

در حومه پاریس، در مقر دفتر بین المللی اوزان و اندازه ها، استوانه ای ساخته شده از آلیاژ پلاتین و ایریدیوم به وزن دقیقا یک کیلوگرم وجود دارد. این استاندارد برای کل جهان است. جرم را می توان بر حسب حجم و چگالی بیان کرد و می توان در نظر گرفت که به عنوان اندازه گیری مقدار ماده در بدن عمل می کند. اما فیزیکدانانی که در حال مطالعه ریزجهان هستند با چنین توضیح ساده ای قانع نیستند.

تصور کنید این سیلندر را حرکت دهید. ارتفاع آن از چهار سانتی متر تجاوز نمی کند، با این وجود، تلاش قابل توجهی باید انجام شود. برای جابجایی، مثلاً یخچال، تلاش بیشتری می‌طلبد. نیاز به اعمال نیروی فیزیک با اینرسی اجسام توضیح داده می شود و جرم به عنوان ضریب اتصال نیرو و شتاب حاصله در نظر گرفته می شود (F = ma).

جرم نه تنها به عنوان معیار حرکت، بلکه برای گرانش نیز عمل می کند که باعث می شود اجسام یکدیگر را جذب کنند (F = GMm / R2). وقتی روی ترازو قرار می گیریم، فلش منحرف می شود. این به این دلیل است که جرم زمین بسیار بزرگ است و نیروی گرانش ما را به معنای واقعی کلمه به سطح سوق می دهد. در ماه روشن تر، وزن یک فرد شش برابر کمتر است.

گرانش کمتر از جرم اسرارآمیز نیست. این فرض که در حین حرکت برخی اجسام بسیار عظیم می توانند امواج گرانشی را ساطع کنند، تنها در سال 2015 در آشکارساز LIGO به طور تجربی تایید شد. دو سال بعد، این کشف جایزه نوبل را دریافت کرد.

بر اساس اصل هم ارزی که توسط گالیله پیشنهاد شد و توسط انیشتین پالایش شد، جرم گرانشی و اینرسی برابر است. از این نتیجه می شود که اجسام عظیم می توانند فضا-زمان را خم کنند. ستاره ها و سیارات در اطراف خود قیف های گرانشی ایجاد می کنند که در آن ماهواره های طبیعی و مصنوعی تا زمانی که به سطح زمین بیفتند می چرخند.

توده از کجا می آید

فیزیکدانان متقاعد شده اند که ذرات بنیادی باید جرم داشته باشند. ثابت شده است که الکترون و اجزای سازنده جهان - کوارک ها - دارای جرم هستند. در غیر این صورت، آنها نمی توانند اتم ها و تمام مواد مرئی را تشکیل دهند. یک جهان بدون جرم، هرج و مرج از کوانتوم های پرتوهای مختلف است که با سرعت نور می شتابند. هیچ کهکشانی، ستاره و سیاره ای وجود نخواهد داشت.

اما این ذره جرم خود را از کجا می گیرد؟

الکساندر استودنیکین می‌گوید: «هنگام ایجاد مدل استاندارد در فیزیک ذرات - نظریه‌ای که برهمکنش‌های الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی همه ذرات بنیادی را توصیف می‌کند، مشکلات بزرگی پیش آمد. دکترای علوم، به RIA Novosti. استاد گروه فیزیک نظری، گروه فیزیک، دانشگاه دولتی لومونوسوف مسکو.

این راه حل توسط دانشمندان اروپایی در اواسط دهه 1960 پیدا شد و نشان می دهد که یک میدان دیگر در طبیعت وجود دارد - رشته ای مقیاسی. در سراسر جهان نفوذ می کند، اما تأثیر آن تنها در سطح خرد قابل توجه است. به نظر می رسد که ذرات در آن گیر کرده و در نتیجه جرم پیدا می کنند.

میدان اسکالر اسرارآمیز به نام فیزیکدان بریتانیایی پیتر هیگز، یکی از بنیانگذاران مدل استاندارد، نامگذاری شد. یک بوزون، ذره ای عظیم که در میدان هیگز پدید می آید، نیز نام او را دارد. در سال 2012 در آزمایشاتی در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن کشف شد. یک سال بعد، هیگز به همراه فرانسوا انگلر جایزه نوبل را دریافت کرد.

شکار ارواح

ذره-شبح - نوترینو - نیز باید به عنوان جرم شناخته می شد.این به دلیل مشاهدات شارهای نوترینو از خورشید و پرتوهای کیهانی است که برای مدت طولانی قابل توضیح نبود. معلوم شد که یک ذره قادر است در حین حرکت به حالت های دیگر تبدیل شود یا همانطور که فیزیکدانان می گویند نوسان کند. این بدون جرم غیر ممکن است.

نوترینوهای الکترونیکی که مثلاً در داخل خورشید متولد می‌شوند، به معنای دقیق آن را نمی‌توان ذرات بنیادی در نظر گرفت، زیرا جرم آنها معنای مشخصی ندارد، اما در حرکت، هر یک از آنها را می‌توان به عنوان یک برهم نهی ذرات بنیادی (که نوترینو نیز نامیده می شود) با جرم های m1، m2، m3. به دلیل تفاوت در سرعت جرم نوترینوها، آشکارساز نه تنها نوترینوهای الکترونی، بلکه نوترینوهای انواع دیگر، مانند نوترینوهای مویونی و تاو را نیز شناسایی می کند. پروفسور استودنیکین توضیح می دهد که این نتیجه اختلاط و نوسانات پیش بینی شده در سال 1957 توسط برونو ماکسیموویچ پونتکوروو است.

ثابت شده است که جرم یک نوترینو نمی تواند از دو دهم الکترون ولت تجاوز کند. اما معنای دقیق آن هنوز مشخص نیست. دانشمندان این کار را در آزمایش KATRIN در موسسه فناوری کارلسروهه (آلمان) انجام می دهند که در 11 ژوئن راه اندازی شد.

پروفسور در پایان می‌گوید: «مسئله بزرگی و ماهیت جرم نوترینو یکی از مسائل اصلی است. راه‌حل آن مبنایی برای توسعه بیشتر ایده‌های ما در مورد ساختار خواهد بود».

به نظر می رسد که در اصل، همه چیز در مورد جرم شناخته شده است، باید تفاوت های ظریف را روشن کرد. اما این مورد نیست. فیزیکدانان محاسبه کرده اند که ماده، که قابل رصد ما است، تنها پنج درصد از جرم ماده در جهان را اشغال می کند. بقیه ماده و انرژی تاریک فرضی هستند که چیزی از خود ساطع نمی کنند و بنابراین ثبت نمی شوند. این بخش‌های ناشناخته جهان از چه ذراتی تشکیل شده‌اند، ساختار آن‌ها چگونه است، چگونه با جهان ما تعامل دارند؟ نسل های بعدی دانشمندان باید آن را کشف کنند.