Парадоксы Вселенной: масса продолжает удивлять физиков

Масса — одно из основополагающих и в то же время загадочных понятий в науке. В мире элементарных частиц ее не отделить от энергии. Она ненулевая даже у нейтрино, а большая ее часть находится в невидимой части Вселенной.  Что известно физикам о массе и какие с ней связаны тайны?

Относительно и элементарно

В пригороде Парижа в штаб-квартире Международного бюро мер и весов хранится цилиндр из сплава платины и иридия массой ровно один килограмм. Это эталон для всего мира. Массу можно выразить через объем и плотность и считать, что она служит мерой количества вещества в теле. Но физиков, изучающих микромир, столь простое объяснение не устраивает.

Представьте, что нужно подвинуть этот цилиндр. Его высота не превышает и четырех сантиметров, тем не менее придется приложить заметное усилие. Еще больше усилий потребуется, чтобы сдвинуть, к примеру, холодильник. Необходимость прикладывать силу физики объясняют инерцией тел, а массу рассматривают как коэффициент, связывающий силу и возникающее ускорение (F = ma).

Масса служит мерой не только движения, но и гравитации, заставляющей тела притягивать друг друга (F = GMm/R2). Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Гравитация не менее загадочна, чем масса. Предположение о том, что при движении некоторые очень массивные тела могут излучать гравитационные волны, экспериментально подтвердили только в 2015 году на детекторе LIGO. Через два года это открытие удостоилось Нобелевской премии.

Согласно принципу эквивалентности, предложенному Галилеем и уточненному Эйнштейном, гравитационная и инерционная массы равны. Из этого следует, что массивные объекты способны искривлять пространство-время. Звезды и планеты создают вокруг себя гравитационные воронки, в которых крутятся естественные и искусственные спутники, пока не упадут на поверхность.
 

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона и кирпичиков мироздания — кварков — масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю. Вселенная без массы представляла бы собой хаос из квантов различных излучений, носящихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет.

Но откуда у частиц берется масса?

"При создании Стандартной модели в физике частиц — теории, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, возникли большие трудности. Модель содержала неустранимые расходимости, обусловленные наличием у частиц ненулевых масс", — рассказывает РИА Новости Александр Студеникин, доктор наук, профессор кафедры теоретической физики физфака МГУ имени М. В. Ломоносова.

Решение нашли европейские ученые в середине 1960-х, предположив, что в природе существует еще одно поле — скалярное. Оно пронизывает всю Вселенную, но его влияние заметно только на микроуровне. Частицы словно увязают в нем и таким образом приобретают массу.

Таинственное скалярное поле назвали в честь британского физика Питера Хиггса — одного из основателей Стандартной модели. Его имя носит и бозон — возникающая в поле Хиггса массивная частица. Ее обнаружили в 2012 году в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Через год Хиггсу вместе с Франсуа Энглером присудили Нобелевскую премию.

Охота за призраками

Частицу-призрак — нейтрино — тоже пришлось признать массивной. Это связано с наблюдениями потоков нейтрино от Солнца и космических лучей, которые долго не удавалось объяснить. Оказалось, что частица способна во время движения превращаться в другие состояния, или осциллировать, как говорят физики. Без массы это невозможно.

"Электронные нейтрино, рождающиеся, например, в недрах Солнца, в строгом смысле нельзя считать элементарными частицами, так как их масса не имеет определенного значения. Но в движении каждое из них может рассматриваться как суперпозиция элементарных частиц (тоже именуемых нейтрино) с массами m1, m2, m3. Из-за различия в скорости массовых нейтрино в детекторе регистрируются не только электронные нейтрино, но и нейтрино других типов, например мюонные и тау-нейтрино. Это следствие смешивания и осцилляций, предсказанных в 1957 году Бруно Максимовичем Понтекорво", — поясняет профессор Студеникин.

Установлено, что масса нейтрино не может превышать две десятые электронвольта. Но точное значение пока неизвестно. Этим ученые занимаются в эксперименте KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ (Германия), запущенном 11 июня. 

"Вопрос о величине и природе массы нейтрино — один из главных. Его решение послужит основой для дальнейшего развития наших представлений о структуре", — заключает профессор.

Казалось бы, о массе в принципе все известно, осталось уточнить нюансы. Но это не так. Физики подсчитали, что материя, которая поддается нашему наблюдению, занимает всего пять процентов массы вещества во Вселенной. Остальное — гипотетические темные материя и энергия, которые ничего не излучают и потому не регистрируются. Из каких частиц состоят эти неведомые части мироздания, какова их структура, как они взаимодействуют с нашим миром? Это предстоит выяснить следующим поколениям ученых.