Model standardowy. Cóż za głupia nazwa najdokładniejszej teorii naukowej znanej ludzkości. Ponad jedna czwarta nagród Nobla z fizyki ubiegłego wieku została przyznana pracom, które były bezpośrednio lub pośrednio związane z modelem standardowym. Jej imię jest oczywiście takie, jakbyś mógł kupić ulepszenie za kilkaset rubli. Każdy fizyk teoretyk wolałby „niesamowitą teorię prawie wszystkiego”, którą tak naprawdę jest.
Wielu pamięta podekscytowanie naukowców i mediów z powodu odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku. Ale jego odkrycie nie było zaskoczeniem i nie pojawiło się znikąd - oznaczało 50. rocznicę zwycięskiej passy Modelu Standardowego. Obejmuje każdą podstawową siłę oprócz grawitacji. Każda próba obalenia tego i wykazania w laboratorium, że należy go całkowicie przerobić - a było ich wiele - zakończyła się niepowodzeniem.
Krótko mówiąc, model standardowy odpowiada na pytanie: z czego wszystko jest zrobione i jak wszystko do siebie pasuje?
Najmniejsze klocki
Fizycy kochają proste rzeczy. Chcą zniszczyć wszystko do sedna, znaleźć najbardziej podstawowe elementy budulcowe. Nie jest to takie łatwe w obecności setek pierwiastków chemicznych. Nasi przodkowie wierzyli, że wszystko składa się z pięciu elementów - ziemi, wody, ognia, powietrza i eteru. Pięć jest znacznie prostsze niż sto osiemnaście. A także źle. Z pewnością wiesz, że otaczający nas świat składa się z cząsteczek, a cząsteczki z atomów. Chemik Dmitrij Mendelejew odkrył to w latach sześćdziesiątych XIX wieku i przedstawił atomy w tabeli pierwiastków, którą obecnie bada się w szkole. Ale pierwiastków tych jest 118. Antymon, arsen, glin, selen … i jeszcze 114.
W 1932 roku naukowcy wiedzieli, że wszystkie te atomy składają się tylko z trzech cząstek - neutronów, protonów i elektronów. Neutrony i protony są ze sobą blisko spokrewnione w jądrze. Elektrony, tysiące razy lżejsze od nich, krążą wokół jądra z prędkością bliską światła. Fizycy Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg i inni wprowadzili nową naukę - mechanikę kwantową - w celu wyjaśnienia tego ruchu.
Byłoby wspaniale się na tym zatrzymać. Tylko trzy cząsteczki. To jeszcze łatwiejsze niż pięć. Ale jak się trzymają? Ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane protony są utrzymywane razem przez siły elektromagnetyzmu. Ale protony odbijają się w jądrze i ich dodatnie ładunki powinny je odpychać. Nawet neutralne neutrony nie pomogą.
Film promocyjny:
Co wiąże razem te protony i neutrony? "Boska interwencja"? Ale nawet boska istota miałaby problem ze śledzeniem każdego z 1080 protonów i neutronów we wszechświecie, utrzymując je siłą woli.
Rozbudowa zoo cząstek
Tymczasem natura rozpaczliwie odmawia przechowywania tylko trzech cząstek w swoim zoo. Nawet cztery, ponieważ musimy uwzględnić foton, cząstkę światła opisaną przez Einsteina. Cztery zamieniły się w pięć, gdy Anderson zmierzył dodatnio naładowane elektrony - pozytony - które uderzyły w Ziemię z kosmosu. Pięć zamieniło się w sześć, gdy odkryto piwonię trzymającą rdzeń jako całość i przewidzianą przez Yukawę.
Wtedy pojawił się mion - 200 razy cięższy od elektronu, ale poza tym jego bliźniak. Jest już siódma. Nie takie proste.
W latach sześćdziesiątych XX wieku istniały setki „fundamentalnych” cząstek. Zamiast dobrze zorganizowanego układu okresowego istniały tylko długie listy barionów (ciężkich cząstek, takich jak protony i neutrony), mezonów (takich jak piony Yukawy) i leptonów (lekkie cząstki, takie jak elektrony i nieuchwytne neutrina), bez żadnej organizacji ani zasad projektowania.
I w tej otchłani narodził się Model Standardowy. Nie było wglądu. Archimedes nie wyskoczył z łazienki krzycząc „Eureka!” Nie, zamiast tego w połowie lat sześćdziesiątych kilku mądrych ludzi przyjęło ważne założenia, które przekształciły to bagno najpierw w prostą teorię, a następnie w pięćdziesiąt lat testów eksperymentalnych i rozwoju teoretycznego.
Kwarki. Mają sześć opcji, które nazywamy smakami. Jak kwiaty, tylko nie tak smacznie pachnące. Zamiast róż, lilii i lawendy, wznosiliśmy się i opadaliśmy, dziwne i czarujące, śliczne i prawdziwe kwarki. W 1964 roku Gell-Mann i Zweig nauczyli nas, jak mieszać trzy kwarki w celu uzyskania barionu. Proton to dwa kwarki górne i jeden dolny; neutron - dwa dolne i jeden górny. Weź jeden kwark i jeden antykwark - weź mezon. Piwonia to kwark górny lub dolny związany z antykwarkiem górnym lub dolnym. Cała materia, z którą mamy do czynienia, składa się z kwarków górnych i dolnych, antykwarków i elektronów.
Prostota. Nie jest to jednak do końca prostota, ponieważ utrzymanie związania kwarków nie jest łatwe. Związują się ze sobą tak mocno, że nigdy nie znajdziesz samotnego kwarka lub antykwarka. Teoria tego połączenia i uczestniczące w nim cząstki, czyli gluony, nazywane są chromodynamiką kwantową. Jest to ważna część Modelu Standardowego, złożona matematycznie, aw niektórych miejscach nawet nierozwiązywalna dla podstawowej matematyki. Fizycy robią wszystko, co w ich mocy, aby dokonywać obliczeń, ale czasami aparat matematyczny nie jest wystarczająco rozwinięty.
Innym aspektem Modelu Standardowego jest „model leptonowy”. To tytuł przełomowego artykułu Stephena Weinberga z 1967 roku, w którym połączono mechanikę kwantową z podstawową wiedzą na temat interakcji cząstek i organizowania ich w jednolitą teorię. Włączył elektromagnetyzm, skojarzył go z „słabą siłą”, która prowadzi do pewnych rozpadów radioaktywnych i wyjaśnił, że są to różne przejawy tej samej siły. W modelu tym uwzględniono mechanizm Higgsa nadający masę podstawowym cząstkom.
Od tego czasu Model Standardowy przewidział wyniki eksperymentów po wynikach, w tym odkrycie kilku odmian kwarków oraz bozonów W i Z - ciężkich cząstek, które w oddziaływaniach słabych pełnią taką samą rolę jak foton w elektromagnetyzmie. Możliwość, że neutrina mają masę, została przeoczona w latach sześćdziesiątych, ale potwierdzona przez Model Standardowy w latach dziewięćdziesiątych, kilkadziesiąt lat później.
Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 r., Długo przewidywane przez Model Standardowy i długo oczekiwane, nie było jednak zaskoczeniem. Było to jednak kolejne duże zwycięstwo Modelu Standardowego nad siłami ciemności, których fizycy cząstek regularnie oczekują na horyzoncie. Fizycy nie podoba się, że Model Standardowy nie odpowiada ich wyobrażeniom o prostocie, martwią się o jego matematyczną niespójność, a także szukają sposobów uwzględnienia grawitacji w równaniu. Oczywiście przekłada się to na różne teorie fizyki, które mogą być po Modelu Standardowym. Tak powstały teorie wielkiej unifikacji, supersymetrii, technokoloru i teorii strun.
Niestety, teorie spoza Modelu Standardowego nie znalazły udanych dowodów eksperymentalnych ani żadnych poważnych wad w Modelu Standardowym. Pięćdziesiąt lat później model standardowy jest najbliższy bycia teorią wszystkiego. Niesamowita teoria prawie wszystkiego.
Ilya Khel