Standarta modelis. Cik muļķīgs nosaukums visprecīzākajai cilvēcei zināmajai zinātniskajai teorijai. Vairāk nekā ceturtdaļa Nobela prēmiju pagājušā gadsimta fizikā tika piešķirta darbiem, kas bija tieši vai netieši saistīti ar standarta modeli. Viņas vārds, protams, ir tāds, ka, ja jūs varat iegādāties uzlabojumu par pāris simtiem rubļu. Jebkurš teorētiskais fiziķis dod priekšroku “pārsteidzošai gandrīz visa teorijai”, kāda tā patiesībā ir.
Daudzi atceras zinātnieku un plašsaziņas līdzekļu satraukumu par Higsa bozona atklāšanu 2012. gadā. Bet tā atklāšana nebija pārsteigums un neiznāca no nekurienes - tā atzīmēja 50 gadu jubileju kopš standarta modeļa uzvarētāju švīkas. Tas ietver katru pamata spēku, izņemot smagumu. Visi mēģinājumi to atspēkot un laboratorijā pierādīt, ka tas ir pilnībā jāpārstrādā - un to bija daudz - neizdevās.
Īsāk sakot, standarta modelis atbild uz šo jautājumu: no kā tiek veidots viss un kā viss sader kopā?
Mazākie celtniecības bloki
Fizikiem patīk vienkāršas lietas. Viņi vēlas sagraut visu, kas ir tā kodols, atrast visvienkāršākos celtniecības elementus. To nav tik vienkārši izdarīt simtiem ķīmisko elementu klātbūtnē. Mūsu senči uzskatīja, ka viss sastāv no pieciem elementiem - zemes, ūdens, uguns, gaisa un ētera. Pieci ir daudz vienkāršāki nekā simts astoņpadsmit. Un arī nepareizi. Jūs noteikti zināt, ka pasaule ap mums ir veidota no molekulām, un molekulas ir izgatavotas no atomiem. Ķīmiķis Dmitrijs Mendelejevs to izdomāja 1860. gados un parādīja atomus elementu tabulā, kuru mūsdienās mācās skolā. Bet šo ķīmisko elementu ir 118. Antimons, arsēns, alumīnijs, selēns … un vēl 114.
1932. gadā zinātnieki zināja, ka visus šos atomus veido tikai trīs daļiņas - neitroni, protoni un elektroni. Neitroni un protoni ir savstarpēji cieši saistīti kodolā. Elektroni, tūkstošiem reižu vieglāki par tiem, riņķo ap kodolu ar ātrumu, kas ir tuvu gaismai. Fiziķi Planks, Bohrs, Šrēdingers, Heizenbergs un citi ir ieviesuši jaunu zinātni - kvantu mehāniku -, lai izskaidrotu šo kustību.
Būtu lieliski tur apstāties. Tikai trīs daļiņas. Tas ir pat vieglāk nekā pieci. Bet kā viņi saliek kopā? Negatīvi uzlādētus elektronus un pozitīvi uzlādētus protonus tur kopā elektromagnētisma spēki. Bet protoni kodolā iekrīt, un to pozitīvajiem lādiņiem vajadzētu tos atstumt. Pat neitrālie neitroni nepalīdzēs.
Reklāmas video:
Kas saista šos protonus un neitronus kopā? "Dievišķa iejaukšanās"? Bet pat dievišķai būtnei būtu grūti izsekot katram no 1080 protoniem un neitroniem Visumā, turot tos pēc gribasspēka.
Paplašinot daļiņu zoodārzu
Tikmēr daba izmisīgi atsakās savā zoodārzā uzglabāt tikai trīs daļiņas. Pat četri, jo mums jāatskaitās fotonam, Einšteina aprakstītajai gaismas daļiņai. Četri pārvērtās piecos, kad Andersons izmērīja pozitīvi uzlādētus elektronus - pozitronus -, kas skāra Zemi no kosmosa. Pieci kļuva par sešiem, kad tika atklāts peonija, kas satur kodolu kopumā un ko paredzēja Jukava.
Tad parādījās mūons - 200 reizes smagāks par elektronu, bet citādi tā dvīņums. Ir jau septiņi. Nav tik viegli.
Līdz 1960. gadiem bija simtiem "fundamentālu" daļiņu. Labi organizētas periodiskās tabulas vietā bija tikai gari baronu (smago daļiņu, piemēram, protonu un neitronu), mezonu (piemēram, Jukāvas pioni) un leptonu (gaismas daļiņas, piemēram, elektroni un nenotverami neitrīno) saraksti, bez jebkādas organizācijas vai projektēšanas principiem.
Un šajā bezdibenī dzimis standarta modelis. Nekādu ieskatu nebija. Arhimīds neizlēca no vannas istabas, kliedzot "Eureka!" Nē, tā vietā 60. gadu vidū daži gudri cilvēki izdarīja svarīgus pieņēmumus, kas šo satraukumu pārvērta vispirms vienkāršā teorijā un pēc tam piecdesmit gadu eksperimentālajā testēšanā un teorētiskajā attīstībā.
Kvarki. Viņi ieguva sešas iespējas, kuras mēs saucam par garšām. Tāpat kā ziedi, tikai ne tik garšīgi smaržo. Rožu, liliju un lavandas vietā mēs piecēlāmies un lejā, savādi un apburoši, jauki un patiesi kvarki. 1964. gadā Gels-Manns un Zveigs mācīja mums, kā sajaukt trīs kvarkus, lai izveidotu baronu. Protons ir divi kvarki uz augšu un viens uz leju; neitrons - divi apakšējie un viens augšējais. Paņemiet vienu kvarku un vienu antikvarku - iegūstiet mezonu. Peonija ir augšupejoša vai lejupvērsta kvarca, kas saistīta ar augšupvērsto vai lejupvērsto antikvarku. Viss jautājums, ar kuru mēs saskaramies, sastāv no augšup un lejup esošajiem kvarkiem, antikvarkiem un elektroniem.
Vienkāršība. Tomēr ne gluži vienkāršība, jo kvarku piesaiste nav vienkārša. Tās ir savstarpēji tik cieši savienotas, ka jūs nekad neatradīsit kvarku vai antīkās glāzes, kas klejo atsevišķi. Šī savienojuma teoriju un daļiņas, kas tajā piedalās, proti, gluonus, sauc par kvantu hromodinamiku. Šī ir svarīga standarta modeļa sastāvdaļa, matemātiski sarežģīta un dažviet pat neatrisināma pamata matemātikai. Fiziķi dara visu iespējamo, lai veiktu aprēķinus, taču dažreiz matemātiskais aparāts nav pietiekami attīstīts.
Vēl viens standarta modeļa aspekts ir "leptona modelis". Šis ir Stīvena Veinberga 1967. gada pamatdokumenta nosaukums, kurā kvantu mehānika tika apvienota ar būtiskām zināšanām par daļiņu mijiedarbību un organizēšanu vienotā teorijā. Viņš ieslēdza elektromagnētismu, saistīja to ar “vāju spēku”, kas izraisa noteiktus radioaktīvus sabrukumus, un paskaidroja, ka tās ir viena un tā paša spēka dažādas izpausmes. Šajā modelī tika iekļauts Higsa mehānisms, piešķirot masu pamata daļiņām.
Kopš tā laika standarta modelis ir prognozējis eksperimentu rezultātus pēc rezultātiem, ieskaitot vairāku kvarku un W un Z bozu šķirņu atklāšanu - smagās daļiņas, kuras vājā mijiedarbībā elektromagnētismā pilda tādu pašu lomu kā fotons. Iespēja, ka neitrīnos ir masa, tika izlaista 60. gados, bet to apstiprināja standarta modelis 1990. gados, vairākas desmitgades vēlāk.
Standarta modeļa ilgi prognozētais un ilgi gaidītais Higsa boza atklājums 2012. gadā tomēr nebija pārsteigums. Bet tā bija vēl viena būtiska standarta modeļa uzvara pār tumšajiem spēkiem, ko daļiņu fiziķi regulāri sagaida pie horizonta. Fizikiem nepatīk, ka standarta modelis neatbilst viņu idejām par vienkāršajiem, viņus uztrauc tā matemātiskā neatbilstība, un viņi arī meklē iespējas gravitācijas iekļaušanai vienādojumā. Acīmredzot tas nozīmē dažādas fizikas teorijas, kas var būt pēc standarta modeļa. Tā radās grandiozas apvienošanās teorijas, supersimetrija, tehnokolors un stīgu teorija.
Diemžēl ārpus standarta modeļa esošās teorijas nav atradušas veiksmīgus eksperimentālus pierādījumus un standarta modelī nav būtisku trūkumu. Piecdesmit gadus vēlāk tas ir standarta modelis, kurš vistuvāk ir teorija par visu. Pārsteidzoša gandrīz visa teorija.
Iļja Khel