Vakiomalli. Mikä tyhmä nimi ihmiskunnan tuntemalle tarkimmalle tieteelliselle teorialle. Yli neljäsosa viime vuosisadan Nobel-fysiikan palkinnoista jaettiin teoksille, jotka liittyivät joko suoraan tai epäsuorasti standardimalliin. Hänen nimensä on tietysti sellainen, jos voit ostaa parannuksen parin sadan ruplan hintaan. Jokainen teoreettinen fyysikko mieluummin”hämmästyttävää teoriaa melkein kaikesta”, mikä se todella on.
Monet muistavat tutkijoiden ja tiedotusvälineiden jännityksen Higgsin bosonin löytämisestä vuonna 2012. Mutta sen löytö ei tullut yllätyksenä eikä tullut tyhjästä - se merkitsi standardimallin voittoputken 50-vuotispäivää. Se sisältää kaikki perusvoimat painovoimaa lukuun ottamatta. Kaikki yritykset kumota se ja osoittaa laboratoriossa, että se oli valmistettava kokonaan - ja niitä oli paljon - epäonnistuivat.
Lyhyesti sanottuna standardimalli vastaa tähän kysymykseen: mistä kaikki on tehty ja kuinka kaikki sopii yhteen?
Pienimmät rakennuspalikat
Fyysikot rakastavat yksinkertaisia asioita. He haluavat murskata kaiken ytimeensä löytääkseen kaikkein perustiedot. Tätä ei ole niin helppoa tehdä satojen kemiallisten alkuaineiden läsnä ollessa. Esivanhempiemme uskoivat, että kaikki koostuu viidestä elementistä - maa, vesi, tuli, ilma ja eetteri. Viisi on paljon yksinkertaisempi kuin satakahdeksantoista. Ja myös väärin. Tiedät varmasti, että ympärillämme oleva maailma on tehty molekyyleistä ja molekyylit on tehty atomista. Kemisti Dmitri Mendelejev tajusi tämän 1860-luvulla ja esitti atomit elementtitaulukkoon, jota nykyään tutkitaan koulussa. Näitä kemiallisia alkuaineita on kuitenkin 118. Antimoni, arseeni, alumiini, seleeni … ja vielä 114.
Vuonna 1932 tutkijat tiesivät, että kaikki nämä atomit koostuvat vain kolmesta hiukkasesta - neutroneista, protoneista ja elektronista. Neutronit ja protonit ovat läheisessä yhteydessä toisiinsa ytimessä. Elektroneja, tuhansia kertoja heitä kevyempiä, kiertää ytimen ympäri valon nopeudella. Fyysikot Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg ja muut ovat ottaneet käyttöön uuden tieteen - kvanttimekaniikan - selittääkseen tämän liikkeen.
Olisi hienoa pysähtyä siihen. Vain kolme hiukkasta. Se on jopa helpompaa kuin viisi. Mutta miten ne pysyvät yhdessä? Sähkömagneettiset voimat pitävät negatiivisesti varautuneita elektroneja ja positiivisesti varautuneita protoneja yhdessä. Mutta protonit palautuvat ytimessä ja niiden positiivisten varausten pitäisi työntää ne pois. Jopa neutraalit neutronit eivät auta.
Mainosvideo:
Mikä sitoo nämä protonit ja neutronit yhdessä? "Jumalallinen väliintulo"? Mutta jopa jumalallisella olennolla olisi vaikeuksia seurata kaikkia maailmankaikkeuden 1080 protonia ja neutronia pitämällä niitä tahdonvoiman avulla.
Laajennetaan hiukkasten eläintarhaa
Samaan aikaan luonto kieltäytyi epätoivoisesti varastoimasta vain kolme hiukkasta eläintarhaan. Jopa neljä, koska meidän on otettava huomioon fotoni, Einsteinin kuvaama valopartikkeli. Neljä muuttui viideksi, kun Anderson mittasi positiivisesti varautuneita elektroneja - positoneja -, jotka osuivat Maahan ulkoavaruudesta. Viidestä tuli kuusi, kun poika, joka piti ytimen kokonaisuutena ja jonka Yukawa ennustaa, löydettiin.
Sitten kuoni ilmestyi - 200 kertaa raskaammaksi kuin elektroni, mutta muuten sen kaksoset. Se on jo seitsemän. Ei niin helppo.
1960-luvulle mennessä siellä oli satoja "perustavanlaatuisia" hiukkasia. Hyvin organisoidun jaksollisen taulukon sijasta oli vain pitkiä luetteloita baryoneista (raskaat hiukkaset, kuten protonit ja neutronit), mesoneista (kuten Yukawa-pioneista) ja leptoneista (kevyet hiukkaset, kuten elektronit ja vaikeasti saavutettavat neutrinot), ilman minkäänlaisia organisaation tai suunnittelun periaatteita.
Ja tässä kuilussa syntyi standardimalli. Ei ollut ymmärrystä. Archimedes ei hypännyt kylpyhuoneesta huutaen "Eureka!" Ei, sen sijaan 1960-luvun puolivälissä muutama älykäs teki tärkeitä oletuksia, jotka muuttivat tämän vaikeuden ensin yksinkertaiseksi teooriaksi ja sitten viisikymmentä vuotta kokeelliseksi testaukseksi ja teoreettiseksi kehittämiseksi.
Kvarkkien. Heillä on kuusi vaihtoehtoa, joita kutsumme makuiksi. Kuten kukat, ei vain niin maukas tuoksuva. Ruusujen, liljojen ja laventelin sijasta nousimme ylös ja alas, omituisia ja lumoavia, ihania ja todellisia kvarkkeja. Vuonna 1964 Gell-Mann ja Zweig opettivat meille, kuinka sekoittaa kolme kvarkkia barioniksi. Protoni on kaksi ylöspäin ja yksi alas kvarkki; neutroni - kaksi ala- ja yksi yläosa. Ota yksi kvarkki ja yksi antiikkärki - hanki mesoni. Pioni on ylös tai alas kvarkki, joka liittyy ylös tai alas antiikkipuun. Kaikki asia, jonka kanssa olemme tekemisissä, koostuu ylös ja alas kvarkeista, antiikkäristä ja elektronista.
Yksinkertaisuus. Ei kuitenkaan aivan yksinkertaisuus, koska kvarkkien pitäminen sidottuina ei ole helppoa. Ne kiinnittyvät toisiinsa niin tiukasti, että et koskaan löydä kvarkkia tai antiikkärkaa vaeltamassa yksinään. Tämän yhteyden teoriaa ja siihen osallistuvia hiukkasia, nimittäin gluoneja, kutsutaan kvanttikromodynaamiseksi. Tämä on tärkeä osa vakiomallia, matemaattisesti monimutkainen ja paikoissa, joita ei voida ratkaista jopa matematiikan perusteille. Fyysikot tekevät parhaansa laskelmien tekemiseksi, mutta joskus matemaattinen laite ei ole riittävän kehittynyt.
Toinen standardimallin näkökohta on "leptonmalli". Tämä on otsikko Steven Weinbergin vuonna 1967 julkaistulle lehdelle, joka yhdisti kvanttimekaniikan olennaiseen tietoon siitä, kuinka hiukkaset toimivat vuorovaikutuksessa ja järjestävät ne yhtenäiseksi teoriaksi. Hän kytkei sähkömagneettisuuden päälle, liitti sen "heikkoon voimaan", joka johtaa tiettyihin radioaktiivisiin hajoamisiin, ja selitti, että nämä ovat saman voiman erilaisia ilmenemismuotoja. Higgs-mekanismi sisällytettiin tähän malliin antamalla massa perustavanlaatuisille hiukkasille.
Siitä lähtien vakiomalli on ennustanut kokeiden tuloksia tulosten jälkeen, mukaan lukien useiden kvarkkivarusteiden sekä W- ja Z-bosonien löytämisen - raskaat hiukkaset, jotka heikkoissa vuorovaikutuksissa täyttävät saman roolin kuin fotoni elektromagnetiikassa. Mahdollisuus, että neutriinoilla on massa, unohdettiin 1960-luvulla, mutta standardimalli vahvisti ne 1990-luvulla, useita vuosikymmeniä myöhemmin.
Standardimallin kauan ennustama ja kauan odotettu Higgs-bosonin löytö vuonna 2012 ei kuitenkaan tullut yllätyksenä. Mutta se oli standardimallin toinen suuri voitto tummista voimista, joita hiukkasfyysikot säännöllisesti odottavat horisontissa. Fyysikot eivät pidä siitä, että standardimalli ei vastaa heidän ajatuksiaan yksinkertaisuudesta, he ovat huolissaan sen matemaattisesta epäjohdonmukaisuudesta ja etsivät myös tapoja sisällyttää painovoima yhtälöön. Tietenkin tämä kääntyy erilaisiin fysiikan teorioihin, jotka voivat olla standardimallin jälkeen. Näin syntyivät suuret yhdentymisteoriat, supersymmetria, tekninen väri ja joustoteoria.
Valitettavasti standardimallin ulkopuolisista teorioista ei ole löytynyt onnistunutta kokeellista näyttöä eikä suuria puutteita standardimallissa. Viisikymmentä vuotta myöhemmin standardimalli on lähinnä teoria kaikesta. Hämmästyttävä teoria melkein kaikesta.
Ilja Khel