Стандартен модел. Какво глупаво име за най-точната научна теория, позната на човечеството. Повече от една четвърт от Нобеловите награди по физика от миналия век бяха присъдени на произведения, които са пряко или косвено свързани със Стандартния модел. Името й, разбира се, е такова, сякаш можете да купите подобрение за няколко стотин рубли. Всеки теоретичен физик би предпочел „удивителната теория на почти всичко“, каквато всъщност е тя.
Мнозина помнят вълнението сред учените и в медиите от откриването на бозона на Хигс през 2012 г. Откриването му обаче не дойде като изненада и не излезе от нищото - отбеляза 50-годишнината от печелившата серия на Стандартния модел. Тя включва всяка основна сила, освен гравитацията. Всеки опит да го опровергае и да демонстрира в лабораторията, че трябва да бъде изцяло преработен - а имаше много - се провали.
Накратко, Стандартният модел отговаря на този въпрос: от какво е направено всичко и как всичко се събира заедно?
Най-малките градивни елементи
Физиците обичат прости неща. Те искат да разбият всичко до основата си, да намерят най-основните градивни елементи. Не е толкова лесно да се направи това в присъствието на стотици химически елементи. Нашите предци са вярвали, че всичко се състои от пет елемента - земя, вода, огън, въздух и етер. Пет е много по-опростен от сто и осемнадесет. И също грешно. Със сигурност знаете, че светът около нас е изграден от молекули, а молекулите са направени от атоми. Химикът Дмитрий Менделеев измисли това през 1860-те и представи атоми в таблицата с елементи, която се изучава в училище днес. Но има 118 от тези химични елементи. Антимон, арсен, алуминий, селен … и още 114.
През 1932 г. учените знаели, че всички тези атоми са съставени само от три частици - неутрони, протони и електрони. Неутроните и протоните са тясно свързани помежду си в ядрото. Електрони, хиляди пъти по-леки от тях, кръжат около ядрото със скорост, близка до светлината. Физиците Планк, Бор, Шрьодингер, Хайзенберг и други въведоха нова наука - квантовата механика, за да обяснят това движение.
Би било чудесно да спрем до там. Само три частици. Даже е по-лесно от пет. Но как се слепват? Отрицателно заредените електрони и положително заредените протони се държат заедно от силите на електромагнетизма. Но протоните скачат в ядрото и техните положителни заряди трябва да ги изтласкат. Дори неутралните неутрони няма да помогнат.
Промоционално видео:
Какво свързва тези протони и неутрони заедно? „Божествена намеса“? Но дори едно божествено същество би имало проблеми с проследяването на всеки от 1080 протона и неутрони във Вселената, задържайки ги със сила на волята.
Разширяване на зоопарка от частици
Междувременно природата отчаяно отказва да съхранява само три частици в своя зоопарк. Дори четири, защото трябва да отчитаме фотона, частицата светлина, описана от Айнщайн. Четирима се превърнаха в пет, когато Андерсън измерва положително заредени електрони - позитрони -, които удрят Земята от космоса. Петима станаха шест, когато божурът, държещ сърцевината като цяло и предсказан от Юкава, беше открит.
Тогава муонът се появи - 200 пъти по-тежък от електрона, но иначе неговият близнак. Вече е седем. Не е толкова лесно.
До 60-те години на миналия век има стотици "фундаментални" частици. Вместо добре организирана периодична таблица имаше само дълги списъци с бариони (тежки частици като протони и неутрони), мезони (като пионите Юкава) и лептони (леки частици като електрони и неуловими неутрино), без никаква организация или принципи на проектиране.
И в тази бездна се роди Стандартният модел. Нямаше прозрение. Архимед не скочи от банята и викаше "Еврика!" Не, вместо това, в средата на 60-те години няколко умни хора направиха важни предположения, които превърнаха това тресе, първо в проста теория, а след това в петдесет години експериментално тестване и теоретична разработка.
Кварките. Те имат шест варианта, които наричаме аромати. Като цветя, просто не толкова вкусно миришещо. Вместо рози, лилии и лавандула се качихме и слизаме, странни и омайни, прекрасни и истински кваркове. През 1964 г. Гел-Ман и Цвайг ни научиха как да смесваме три кварка, за да направим барион. Протонът е два кварка нагоре и един надолу; неутрон - два долни и един горен. Вземете един кварк и един антикварк - вземете мезон. Божур е нагоре или надолу кварк, свързан с антикварк нагоре или надолу. Цялата материя, с която имаме работа, се състои от нагоре и надолу кварки, антикварки и електрони.
Простота. Не е просто простотата, тъй като поддържането на кваркове не е лесно. Те се свързват толкова плътно, че никога няма да намерите кварк или антикварк, който се скита сам. Теорията за тази връзка и частиците, които участват в нея, а именно глуоните, се наричат квантова хромодинамика. Това е важна част от Стандартния модел, математически сложен, а на места дори неразрешим за основна математика. Физиците правят всичко възможно да правят изчисления, но понякога математическият апарат не е достатъчно развит.
Друг аспект на Стандартния модел е „лептоновият модел“. Това е заглавието на забележителна книга от Стивън Уайнбърг от 1967 г., която комбинира квантовата механика с основните знания за взаимодействието на частиците и ги организира в единна теория. Той включи електромагнетизма, свързва го със „слаба сила“, която води до определени радиоактивни разложения, и обясни, че това са различни прояви на една и съща сила. Механизмът на Хигс беше включен в този модел, като даде маса на фундаментални частици.
Оттогава Стандартният модел предсказва резултатите от експерименти след резултати, включително откриването на няколко разновидности на кваркове и W и Z бозони - тежки частици, които при слаби взаимодействия изпълняват същата роля като фотона в електромагнетизма. Възможността неутрино да има маса е пропусната през 60-те години, но потвърдена от Стандартния модел през 90-те години, няколко десетилетия по-късно.
Откриването на бозона на Хигс през 2012 г., дълго прогнозирано от Стандартния модел и дългоочаквано, обаче не дойде като изненада. Но това беше поредната голяма победа за Стандартния модел над тъмните сили, които физиците на частици редовно очакват на хоризонта. Физиците не харесват, че Стандартният модел не съответства на техните идеи за простото, притесняват се от неговото математическо несъответствие и търсят начини да включат гравитацията в уравнението. Очевидно това се превежда в различни теории на физиката, които може да са след Стандартния модел. Така се появиха велики теории за обединение, суперсиметрия, техноколор и теория на струните.
За съжаление, теориите извън стандартния модел не са намерили успешни експериментални доказателства и няма големи недостатъци в стандартния модел. Петдесет години по-късно именно Стандартният модел се доближава до теорията на всичко. Невероятна теория за почти всичко.
Иля Кел