Masse – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

10. maj 2010

Masse

Kære Spørg om Fysik
Jeg har to spørgsmål jeg søger svar på:
1. Jeg har længe undret mig over hvad helt konkret masse er - hvad består det af,
og hvordan og hvorfor er det der?

2. Jeg har hørt, at der er nogle forskere der mener der skulle være 11 dimensioner - hvordan og hvilke skulle det være?

Med venlig hilsen
M P

 

Den enkleste måde at se fysikken i masse på, er i sammenhæng med newtons II lov, som siger:  F = m a

Hvor F er kraften som måles i enheden newton, a er accelerationen, som måles i enheden m/s2, proportionalitetsfaktoren m er massen.

Selve massen 1 kg var oprindeligt massen af en liter vand, men etableres idag principielt ved sammenligning med en normal, et ædelmetallod, som opbevares i Paris.
I dagligdagen forbinder vi masse med noget man kan veje på en vægt, f.eks. en badevægt. 1 liter vand siger vi vejer 1 kg. Når vi vejer med en vægt bruger vi jordens massetiltrækning, som giver en tyngdeacceleration der kaldes g 9,81 m/s2, (altså a i den ovenfor nævnte formel). I virkeligheden kommer denne størrelse fra Newtons gravitationslov, som kan skrives:

  F = G * (m*m)/r2

Her er F igen kraften imellem to legemer, hvor det ene har massen M og det andet m afstanden imellem deres tyngdepunkter (for pænt formede legemers midtpunkter) er r.

G er den universelle gravitationskonstant, som når masserne måles i kg. Afstanden i m og kraften i newton bliver G = 6,67 * 10 -11 N*m2/kg2.

Hvis m er vores liter vand, bliver M jordmassen, og afstanden r lidt over 6000 km giver resten af formlen 9,81 m/s2.

Tyngdeaccelerationen afgør massens vægt

Man vil mange steder se denne masse omtalt som den tunge masse, fordi den er bestemt af tyngdeaccelerationen. På Mars, hvis masse og radius er mindre end jordens, vejes 1 liter vand på en badevægt til 0,38 kg, og på Neptun vejer 1,14 kg.

Når Astronauter er i rummet, f.eks. på rumvandring, ville de, hvis de stillede sig på en badevægt have massen 0 kg, fordi deres kredsbevægelse om jorden giver en kraft der er præcis lige så stor som jordens tiltrækningskraft. Deres tunge masse er altså 0 kg. Men Newtons II lov ovenfor gælder stadig, så hvis de hopper inde i rumskibet, skal de stoppe deres sædvanlige masse, måske 80 kg, så de får brug for armkræfterne for at stoppe bevægelsen fra hoppet. Uanset tyngdekraften, er der altså massen i Newtons II lov, og det kalder man somme tider den træge masse, fordi det er den der skal påvirkes hvis man vil ændre sin bevægelse.

Massen er noget der er knyttet til de fleste af naturens mindste dele. F.eks. i atomet har såvel hver neutron som proton en masse (ca. 1,67 * 10-27 kg hver). Også elektronen har en masse, som er ca. 1/2000 af dette. Få partikler har ingen masse, f.eks. lys (fotonen). Masser er altså noget som giver anledning til visse naturlove, og som stort set alle dele i vort univers er udrustet med.

Standardmodellen og Higgs-partiklen

For at få en dybere forståelse af fænomenet masse, skal man vende sig mon den kvantemekaniske beskrivelse af elementarpartiklerne, og de kræfter som virker imellem dem. Det bedste bud kommer fra Standardmodellen, som forudsiger eksistensen af en ny partikel, Higgs-partiklen, som giver masse til de fleste andre partikler.

Man forestiller sig, at vakuum ikke er tomt, men fyldt med Higgs-partikler, som de andre partikler klistrer sig mere eller mindre til. Jo stærkere bindingen er, desto tungere "føles" partikler. Der er som at trække en lille og en stor bold gennem vand. Vandet yder større modstand mod den store bold, som derfor føles tungere.

Det er et af målene for de nye eksperimenter ved LHC på CERN, at producere Higgs-partiklen, og måle dens fysiske egenskaber. Hvis den findes, og har de forventede egenskaber, er det en stor triumf for Standardmodellen, som siden 1967 har været den bedste model for elementarpartiklernes fysik, og for vores forståelse af fænomenet masse. På den anden side har Standardmodellen indtil nu vist sig meget sikker i sine forudsigelse, så det vil komme som en meget stor overraskelse, hvis den del som handler om masse skulle fejle.

Strengteorier, branteorier, 10-dimensionale og 11-dimensionale rum

Der findes andre og mere sofistikerede modeller, som bringer os videre ud over Standardmodellen, tilbage til tiden lige efter Big Bang. Disse modeller er baseret på de såkaldte strengteorier og branteorier, som opererer med hhv. 10-dimensionale og 11-dimensionale rum.

De 6 eller 7 ekstra rumlige dimensioner var kun aktive i den meget tidlige fase af Universets eksistens. De "krøllede" sig sammen, så man, hvis man bevæger sig i en af de ekstra retninger, staks kommer tilbage til udgangspunktet. Det er som at bevæge sig på overfladen af en ekstrem lille bold.

De ekstra dimensioner er nødvendige for at få en konsistent teori, som også indeholder alle de forudsigelser Standardmodellen er så god til at give. Men de spiller ingen rolle i den hverdag vi går rundt i.

Med venlig hilsen
John Renner Hansen, professor
Malte Olsen