Čo je Table Science Online
Aká je tabuľka?
Elementárne častice, ako sú elektróny, Higgsove bozóny alebo fotóny, sú opísané hmotou, elektrickým nábojom, spinom.
Hmotnosť častice je dôležitá vlastnosť, ktorú musíme pochopiť, pretože je základom fyziky elementárnych častíc.
Aká je tabuľka? Prečo majú niektoré častice hmotnosť a iné nie? A hlavne: prečo majú častice hmotnosť?
Aby sme odpovedali na tieto otázky a išli nad rámec toho, čo Albert Einstein vedel o hmotnosti, poďme k časticovej fyzike a všeobecnej teórii relativity.
Meranie hmotnosti
Učiteľ mi raz povedal, že najlepšou definíciou fyzickej vlastnosti je spôsob jej merania. Podľa tejto definície sa pozrime, ako môžeme merať hmotnosť.
Keď stúpite na váhu, zaznamená to vašu váhu. Je to preto, že vás Zem priťahuje prostredníctvom gravitačnej sily. Gravitačná sila medzi vami a Zemou existuje, pretože vy aj Zem máte hmotu.
Keby ste vystúpili na Mesiaci v rovnakej mierke, potom by to zaznamenávalo iba časť vašej váhy na Zemi. Konkrétne jedna šestina z toho (najefektívnejšia metóda chudnutia: letom na Mesiac stratíte 83% svojej telesnej hmotnosti).
Vaša váha na Mesiaci je menšia, pretože hmotnosť Mesiaca je menšia ako hmotnosť Zeme a gravitačná sila medzi Mesiacom a vami je úmerná hmotnosti Mesiaca (M) a vašej hmotnosti (m). To je dané vzorcom F = GMm/(R ^ 2), kde R je polomer Mesiaca a G sa nazýva Newtonova gravitačná konštanta.
Hmotnosť je úlohou gravitačnej interakcie a bez nej neexistuje žiadna gravitačná sila. Fyzici označujú túto hmotu ako gravitačnú hmotnosť.
Keď otvoríte dvere, musíte ich stlačiť silou, inak sa dvere neotvoria. Je to tak kvôli skutočnosti, že dvere majú hmotu, ktorá sa prejavuje zotrvačnosťou, to znamená, že sa stavia proti zmene svojho pohybového stavu.
Druhý Newtonov zákon hovorí, že sila potrebná na zmenu pohybového stavu objektu je úmerná jeho zotrvačnej hmotnosti (F = ma). Ľahšie sa tlačí, s rovnakou akceleráciou, ľahké dvere v porovnaní s ťažkými.
Zjednotenie omše
Einstein zjednotil gravitačnú hmotnosť a zotrvačnú hmotnosť prostredníctvom princípu ekvivalencie. Jednoducho tvrdí, že gravitačná a zotrvačná hmotnosť sú rovnocenné.
Toto jednoduché tvrdenie má však spolu s myšlienkou, že matematické rovnice fyziky by nemali závisieť od referenčného systému, zásadné dôsledky. Einsteinove rovnice gravitačného poľa vyplynuli z použitia princípu ekvivalencie a popisujú, ako hmotové krivky časopriestor.
Význam Einsteinových rovníc je jednoduchý: hmotnosť deformuje časopriestorové kontinuum a zakrivený časopriestor určuje pohyb objektov s hmotou.
Geometrická teória gravitácie, ktorú vytvoril Albert Einstein, tvrdí, že Zem obieha okolo Slnka a sleduje zakrivenie časopriestorovej štruktúry určené prítomnosťou Slnka.
Ak by Slnko nemalo hmotu, potom by Zem už nemohla sledovať dráhu okolo seba a pohybovať sa po priamke.
Einstein toto všetko a ešte viac vedel. Je to on, kto formuloval teóriu špeciálnej relativity a teóriu všeobecnej relativity. Uvedomil si, ako je spojená hmotnosť, gravitácia a energia. Bohužiaľ nemal šancu zistiť odpoveď na otázku: prečo je hmotnosť prirodzenou vlastnosťou tiel?.
Moderná fyzika elementárnych častíc je tou, ktorá nám dala odpoveď na túto otázku v roku 2012, keď bol konečne objavený Higgsov bozón.
Vyššie uvedená otázka je dôležitá, pretože ako sme už ukázali predtým, bez hmoty by neexistovala gravitácia. Alebo by existovala? Gravitácia existuje aj pri absencii hmoty.
Zvážte napríklad fotón. Nemá stôl. Na základe toho, čo dnes vieme, základný zákon vo fyzike častíc, nazývaný rozchodová symetria, neumožňuje, aby častica nesúca silu vrátane fotónu mala hmotnosť.
Fotón je však priťahovaný k Slnku. Astronomické pozorovania jasne ukazujú, že svetlo z veľmi vzdialenej galaxie umiestnenej hneď za Slnkom možno pozorovať na oboch jej stranách. Gravitačné pole Slnka kriví lúče svetla a toto zistenie z roku 1919 bolo dôkazom, že teória všeobecnej relativity je správna.
Svetlo sa v gravitačnom poli odkláňa podľa rovnice E = mc ^ 2. To nám hovorí, že z gravitačného hľadiska sú energia a hmotnosť ekvivalentné. Fotón má energiu, a preto je priťahovaný k Slnku.
Skutočnosť, že energia má gravitačné účinky, je dôležitá, pretože väčšina hmoty okolo nás je v skutočnosti energiou. Viditeľné časti galaxií a hviezd sú tvorené hlavne vodíkom, teda iba protónmi a elektrónmi.
Zem obsahuje rôzne atómy a sú tvorené nukleónmi (protóny a neutróny) a elektrónmi. Elektróny sú 2 000 krát ľahšie ako nukleóny, takže ich príspevok k celkovej hmotnosti je oveľa menší ako príspevok nukleónov. Okrem toho väčšinu hmotnosti protónov a neutrónov predstavuje energia uložená v gluónoch.
Gluóny držia pohromade protóny a neutróny v atómovom jadre a sú časticami prenášajúcimi silu. Väzbová energia uložená v gluónoch tvorí väčšinu hmotnosti protónov, neutrónov, vodíka a akýchkoľvek iných atómov.
Úloha Higgsovho bozónu
Tu by sme sa mohli zastaviť, pretože sme predstavili pôvod väčšiny viditeľnej hmoty vo vesmíre. Einstein nevedel, odkiaľ pochádza masa makroskopických objektov, pretože až koncom 20. storočia boli fyzici schopní pochopiť jeho pôvod.
Higgsov bozón je zodpovedný za hromadnú výrobu. Vzrušením Higgsovho poľa dáva Higgsov bozón hmotu na základnej úrovni elementárnym časticiam.
Príbeh Higgsovho bozónu sa začal vážnym problémom v časticovej fyzike. Od konca 20. storočia bolo zrejmé, že vyššie uvedené symetrie meradla sú základnými zákonmi, ktoré zakazujú mať častice nesúce silu.
V roku 1983 však boli objavené masívne W a Z bozóny vo Veľkom elektrónovo-pozitrónovom (LEP), predchodcovi Veľkého hadrónového urýchľovača (LHC).
Tento objav bol skutočnou záhadou: bol porušený jeden zo základných prírodných zákonov, mierka invariantnosti. Vzdanie sa invariantnosti rozchodu by znamenalo, že časticová fyzika by začala od nuly.
Je prekvapujúce, že teoretickým fyzikom sa podarilo udržať symetriu meradla na základnej úrovni zavedením Higgsovho mechanizmu a tiež ich rozbitím, aby sa umožnila existencia masívnych častíc W a Z v našom vesmíre.
Za tento úspech dostali Sheldon Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg Nobelovu cenu za fyziku v roku 1979. Higgsov mechanizmus dáva hmotnosť elementárnym časticiam a vysvetľuje, prečo majú elektróny, neutrína alebo kvarky hmotnosť.
Avšak hmotnosť elektrónov, kvarkov a neutrín je v porovnaní s hmotou generovanou gluónmi zanedbateľná. To znamená, že Higgsov mechanizmus je na atómovej úrovni zanedbateľný?
Odpoveď je nie! Bez Higgsovho bozónu by elektróny nemali žiadnu hmotnosť a všetky atómy by sa zrútili. Neutróny by sa už nerozpadli, takže aj atómové jadrá by vyzerali veľmi odlišne. Celkovo by bol Vesmír veľmi odlišným miestom bez galaxií, hviezd a planét.
Temná hmota
Dá sa teraz povedať, že o stole vieme všetko? Bohužiaľ nie. Iba 5% hmotnosti vesmíru pochádza z obyčajnej hmoty, ktorej hmotnosti sa rozumie.
Takmer 70% hmotnosti vesmíru pochádza z temnej energie a asi 25% z tmavej hmoty. Nielenže netušíme, o akú masu sa jedná, ale ani nevieme, z čoho je vyrobená temná hmota. V dôsledku toho môžeme povedať, že príbeh omše pokračuje.