Apa itu Massa dan Mengapa Benda Memiliki Massa?

ApaMassa itu? Mengapa beberapa partikel memiliki massa dan yang lainnya tidak? 
Dan Anda mungkin tidak berpikir ini akan penting, tetapi pertanyaan terbesar adalah: mengapa partikel memiliki massa sama sekali? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan itu, dan melampaui apa yang diketahui Albert Einstein tentang massa, mari selami fisika partikel dan relativitas umum. Ukurannya Seorang profesor pernah mengatakan kepada saya bahwa definisi terbaik dari properti fisik adalah cara pengukurannya. Mengikuti definisi ini, mari kita lihat bagaimana kita mengukur massa. Ketika Anda menginjak skala, suka atau tidak, itu akan mencatat berat Anda. Ini karena Bumi menarik Anda dengan gaya gravitasi. Kekuatan antara Anda dan Bumi ada karena Anda dan Bumi memiliki massa.

Jika Anda melangkah pada skala yang sama di bulan itu akan mencatat sebagian kecil dari berat Anda di Bumi. Sekitar seperenam, tepatnya. (Belum pernah ada rencana diet yang lebih efektif: kehilangan 83 persen dari berat tubuh Anda hanya dengan terbang ke bulan.) Berat bulan Anda lebih sedikit karena massa bulan lebih kecil dari massa Bumi, dan gaya gravitasi antara bulan dan Anda sebanding dengan massa bulan (M) dan massa Anda (m). Ini diberikan oleh rumus F = GMm / (R2) di mana R adalah jari-jari bulan dan G disebut konstanta gravitasi Newton.

Massa adalah muatan dari interaksi gravitasi dan tanpa itu tidak ada gaya gravitasi. Fisikawan menyebut manifestasi massa ini sebagai massa gravitasi. Saat Anda membuka pintu, Anda harus mendorongnya dengan paksa, jika tidak maka pintu tidak akan bergerak. Ini karena pintu memiliki massa yang dimanifestasikan sebagai inersia, artinya, ia menangkal Anda untuk mengubah keadaan gerakannya.

Inersia= Kecendrungan benda fisik untuk menolak perubahan geraknya.

Hukum kedua Newton mengatakan bahwa gaya yang Anda butuhkan untuk mengubah keadaan gerak suatu benda sebanding dengan massa inersia (F = ma). Lebih mudah mendorong pintu yang ringan daripada pintu yang berat dengan akselerasi yang sama. Massa bersatu Einstein menghubungkan massa gravitasi dan inersia melalui prinsip kesetaraan gravitasi. Prinsip kesetaraan hanya mengatakan bahwa gravitasi dan massa inersia adalah satu dan hal yang sama.

Pernyataan sederhana ini, bagaimanapun, digabungkan dengan gagasan matematika bahwa persamaan fisika tidak harus bergantung pada kerangka referensi, mengarah sangat jauh. Konsekuensi utama dari prinsip ekivalensi adalah persamaan gravitasi Einstein. Persamaan ini menentukan bagaimana kurva ruang massa dan waktu warps. Arti dari persamaan gravitasi Einstein sederhana: massa melengkungkan ruang-waktu dan ruang-melengkung menggerakkan massa di sekitar.

Menurut gambar geometris Einstein tentang gravitasi, Bumi mengorbit di sekitar matahari karena yang terakhir menciptakan sumur gravitasi berbentuk corong dalam jalinan ruang-waktu dan Bumi berputar di dalamnya seperti koin berputar di sumur yang berharap. Jika matahari tidak memiliki massa, gravitasi di sekitarnya tidak akan ada dan Bumi akan terbang dengan segera. Jika Bumi tidak memiliki massa, ia tidak akan merasakan lengkungan sumur dan akan terbang dalam garis lurus. Itu relativitas umum dalam kulit kacang berbentuk corong.

Bagaimanapun, Einstein menulis buku-buku tentang relativitas – baik yang khusus maupun umum. Dia menemukan bagaimana massa terhubung dengan gravitasi dan energi. Relasi pertama dirangkum dengan persamaan medan gravitasinya, dan yang kedua adalah E = mc2 yang dikenal luas. Sayangnya, dia tidak pernah memiliki kesempatan untuk mempelajari “Mengapa” sesuatu memiliki properti massa. Ada lebih banyak massa Fisika partikel fundamental modern memberi kita jawaban pada 2012 ketika boson Higgs akhirnya ditemukan. Pertanyaannya cukup penting karena, seperti yang kita lihat sebelumnya, tanpa massa tidak ada gravitasi.

Ambil foton, misalnya. Foton adalah inti dari ketidakberaturan. Menurut pemahaman kita saat ini, salah satu hukum fundamental terdalam fisika partikel, yang disebut simetri ukur, mencegah partikel pembawa gaya, termasuk foton, dari memperoleh massa terkecil sekalipun. Namun, sebuah foton tertarik oleh matahari. Pengamatan jelas menunjukkan bahwa cahaya dari galaksi jauh diposisikan tepat di belakang matahari, dapat diamati di kedua sisi matahari. Fakta bahwa medan gravitasi matahari membelokkan cahaya digunakan untuk membuktikan kebenaran relativitas umum tahun 1919.

Cahaya berinteraksi dengan medan gravitasi karena E = mc2. Persamaan ini memberi tahu kita bahwa, dari perspektif gravitasi, energi dan massa adalah setara. Foton membawa sedikit energi, sehingga sedikit tertarik oleh matahari.

Fakta bahwa energi gravitasi penting, karena sebagian besar massa di sekitar kita, pada kenyataannya, adalah energi. Semua bagian galaksi dan bintang yang terlihat diketahui sebagian besar terbuat dari hidrogen, yang hanya berupa proton dan elektron. Bumi terbuat dari banyak atom berbeda, tetapi hanya terbuat dari nukleon (proton dan neutron) dan elektron. Elektron 2.000 kali lebih ringan dari nukleon, sehingga mereka membawa jauh lebih sedikit ke meja dalam hal massa. Dan yang luar biasa, sebagian besar massa proton dan neutron adalah energi yang disimpan dalam lem. Lem (atau gluon, dalam istilah ilmiah) adalah benda-benda yang menyatukan proton dan neutron. Ini adalah pembawa kekuatan yang kuat. Energi penjilidan yang disimpan dalam gluon membentuk sebagian besar massa proton, neutron, hidrogen, dan atom apa pun dalam hal ini.

Peran bos Higgs Kita bisa berhenti di sini, karena kita telah memahami asal usul sebagian besar massa yang terlihat di alam semesta. Einstein tidak tahu dari mana datangnya massa benda makroskopis, tetapi fisika partikel mengungkapkan hal ini di akhir abad ke-20. Namun, ada satu twist dalam cerita ini. Mungkin yang paling menakjubkan. Jika Einstein tahu tentang itu, dia pasti akan menyukainya. Ini adalah peran boson Higgs dalam menghasilkan massa. Higgs boson, yang merupakan eksitasi medan Higgs, adalah apa yang memberikan massa pada tingkat fundamental: ia meminjamkan massa ke partikel-partikel unsur. Kisah Higgs dimulai dengan masalah serius dalam fisika partikel. Pada akhir abad ke-20 terbukti bahwa simetri pengukur, yang disebutkan sebelumnya, adalah hukum dasar dan mereka melarang massa pembawa kekuatan. Namun, pada tahun 1983, kekuatan besar membawa, bos W dan Z, ditemukan oleh Large Electron-Positron (LEP) (pendahulu Large Hadron Collider (LHC)). Ini adalah teka-teki serius: salah satu hukum alam yang paling mendasar, ukuran invarian dipertaruhkan.

Menyerahkan invarian pengukur berarti memulai fisika partikel dari awal. Hebatnya, ahli teori pintar menemukan cara untuk memiliki kue mereka dan memakannya juga! Mereka memperkenalkan mekanisme Higgs, yang memungkinkan kita untuk melestarikan simetri pengukur di tingkat fundamental tetapi memecahnya sedemikian rupa sehingga di alam semesta kita yang khusus, partikel W dan Z masih mungkin.

Trik luar biasa ini membuat Sheldon Glashow, Abdus Salam, dan Steven Weinberg memenangkan Hadiah Nobel Fisika 1979. Selain pembawa gaya, mekanisme Higgs juga meminjamkan massa ke partikel materi dasar, menjelaskan mengapa elektron, neutrino atau quark memiliki massa. Namun, kontribusi elektron fundamental, massa quark, atau neutrino dapat diabaikan dibandingkan dengan massa yang dihasilkan oleh lem di sekitar kita.

Jadi apakah ini berarti bahwa Higgs dapat diabaikan pada tingkat atom? Jawabannya adalah tidak! Tanpa bos Higgs, elektron tidak akan memiliki massa dan semua atom akan hancur berantakan. Neutron tidak akan membusuk, bahkan inti atom pun akan terlihat sangat berbeda. Secara keseluruhan, alam semesta akan menjadi tempat yang sangat-sangat berbeda, kekurangan galaksi, bintang, dan planet. Dan kemudian muncul hal-hal gelap Jadi, sekarang kita tahu segalanya tentang massa, bukan? Sayangnya tidak. Hanya 5 persen dari massa di seluruh alam semesta yang berasal dari materi biasa (massa yang dipahami). Hampir 70 persen massa alam semesta berasal dari energi gelap dan sekitar 25 persen dari materi gelap. Bukan saja kita tidak memiliki petunjuk tentang massa macam apa itu, kita bahkan tidak tahu dari apa sektor gelap itu terbentuk. Jadi tetap disini karena kisah massa terus berlanjut, hingga dimasa depan.

Refrensi:
Csaba Balazs dari Monash University. Ini awalnya diterbitkan oleh The Conversation.