A massa é um dos conceitos fundamentais e ao mesmo tempo misteriosos da ciência. No mundo das partículas elementares, não pode ser separado da energia. É diferente de zero até mesmo para neutrinos, e a maior parte está localizada na parte invisível do Universo. RIA Novosti conta o que os físicos sabem sobre a massa e quais segredos estão associados a ela.
Relativamente e elementar
Nos subúrbios de Paris, na sede do Bureau Internacional de Pesos e Medidas, existe um cilindro feito de uma liga de platina e irídio pesando exatamente um quilo. Este é o padrão para todo o mundo. A massa pode ser expressa em termos de volume e densidade e pode-se considerar que serve como medida da quantidade de matéria no corpo. Mas os físicos que estudam o micromundo não ficam satisfeitos com uma explicação tão simples.
Imagine mover este cilindro. Sua altura não ultrapassa quatro centímetros, no entanto, um esforço notável deverá ser feito. Será necessário ainda mais esforço para mover, por exemplo, uma geladeira. A necessidade de aplicar a força da física é explicada pela inércia dos corpos, e a massa é considerada um coeficiente que conecta a força e a aceleração resultante (F = ma).
A massa serve como medida não só do movimento, mas também da gravidade, que força os corpos a se atraírem (F = GMm / R2). Quando subimos na balança, a flecha é desviada. Isso ocorre porque a massa da Terra é muito grande e a força da gravidade literalmente nos empurra para a superfície. Em uma lua mais clara, uma pessoa pesa seis vezes menos.
A gravidade não é menos misteriosa do que a massa. A suposição de que alguns corpos muito massivos podem emitir ondas gravitacionais ao se mover foi confirmada experimentalmente apenas em 2015 no detector LIGO. Dois anos depois, essa descoberta recebeu o Prêmio Nobel.
De acordo com o princípio de equivalência proposto por Galileu e refinado por Einstein, as massas gravitacional e inercial são iguais. Conclui-se que objetos massivos são capazes de dobrar o espaço-tempo. Estrelas e planetas criam funis gravitacionais em torno deles, nos quais satélites naturais e artificiais giram até cair na superfície.
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Quark interage com o campo de Higgs / Ilustração RIA Novosti / Alina Polyanina.
De onde vem a missa
Os físicos estão convencidos de que as partículas elementares devem ter massa. Foi provado que o elétron e os blocos de construção do universo - quarks - têm massa. Caso contrário, eles não poderiam formar átomos e toda a matéria visível. Um universo sem massa seria um caos de quanta de várias radiações, avançando à velocidade da luz. Não haveria galáxias, estrelas ou planetas.
Mas de onde vem a missa?
“Ao criar o Modelo Padrão em física de partículas - uma teoria que descreve a interação eletromagnética, fraca e forte de todas as partículas elementares, surgiram grandes dificuldades. O modelo continha divergências inevitáveis devido à presença de massas diferentes de zero nas partículas”, diz Alexander Studenikin, Doutor em Ciências, Professor do Departamento de Física Teórica do Departamento de Física da Universidade Estadual de Moscou Lomonosov, RIA Novosti.
A solução foi encontrada por cientistas europeus em meados da década de 1960, sugerindo que existe outro campo na natureza - um escalar. Ele permeia todo o Universo, mas sua influência é perceptível apenas no nível micro. As partículas parecem ficar presas nele e assim adquirir massa.
O misterioso campo escalar foi nomeado em homenagem ao físico britânico Peter Higgs, um dos fundadores do Modelo Padrão. O bóson também recebeu o nome dele - uma partícula massiva que surge no campo de Higgs. Foi descoberto em 2012 em experimentos no Large Hadron Collider do CERN. Um ano depois, Higgs recebeu o Prêmio Nobel junto com François Engler.
Caça fantasma
A partícula fantasma - neutrino - também teve que ser reconhecida como massiva. Isso se deve às observações de fluxos de neutrinos do Sol e de raios cósmicos, que por muito tempo não puderam ser explicados. Descobriu-se que uma partícula é capaz de se transformar em outros estados durante o movimento, ou oscilar, como dizem os físicos. Isso é impossível sem massa.
“Neutrinos eletrônicos, nascidos, por exemplo, no interior do Sol, em sentido estrito, não podem ser considerados partículas elementares, pois sua massa não tem significado definido. Mas em movimento, cada um deles pode ser considerado como uma superposição de partículas elementares (também chamadas de neutrinos) com massas m1, m2, m3. Devido à diferença na velocidade dos neutrinos de massa, o detector detecta não apenas neutrinos de elétrons, mas também neutrinos de outros tipos, por exemplo, neutrinos de múon e tau. Isso é conseqüência das misturas e oscilações previstas em 1957 por Bruno Maksimovich Pontecorvo”, explica o professor Studenikin.
Foi estabelecido que a massa de um neutrino não pode exceder dois décimos de um volt de elétron. Mas o significado exato ainda é desconhecido. Cientistas estão fazendo isso no experimento KATRIN no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (Alemanha), lançado em 11 de junho.
“A questão da magnitude e da natureza da massa do neutrino é uma das principais. A sua decisão servirá de base para um maior desenvolvimento da nossa compreensão da estrutura,”- conclui o professor.
Parece que em princípio tudo se sabe sobre a massa, resta esclarecer as nuances. Mas este não é o caso. Os físicos calcularam que a matéria que observamos ocupa apenas cinco por cento da massa da matéria no universo. O resto é hipotética matéria escura e energia, que não emitem nada e, portanto, não são registradas. Em que partículas consistem essas partes desconhecidas do universo, qual é a sua estrutura, como elas interagem com o nosso mundo? As próximas gerações de cientistas terão que descobrir.
Tatiana Pichugina
