Szabványos modell. Milyen hülye név az emberiség számára a legpontosabb tudományos elméletnek. A múlt század fizikai Nobel-díjainak több mint egynegyedét olyan munkáknak ítélték oda, amelyek közvetlenül vagy közvetve kapcsolódtak a standard modellhez. A neve természetesen olyan, mint ha párszáz rubelért javítással vásárolhat. Bármely elméleti fizikus inkább a „szinte mindent elképesztő elméletét” szeretné, amely valójában az.
Sokan emlékeznek a tudósok és a média izgalmára a Higgs-bozon 2012-es felfedezése miatt. A felfedezés azonban nem volt meglepetés, és sem a semmiből nem merült fel - ez a standard modell nyertes sorozatának 50. évfordulója volt. Ez magában foglal minden alapvető erőt, kivéve a gravitációt. Minden kísérlet megcáfolni és a laboratóriumban bizonyítani, hogy azt teljesen át kell dolgozni - és sok ilyen volt - kudarcot vallott.
Röviden: a standard modell válaszol erre a kérdésre: miből készül minden, és hogyan illeszkedik minden egymáshoz?
A legkisebb építőelemek
A fizikusok szeretik az egyszerű dolgokat. Mindent fel akarnak rombolni a magba, hogy megtalálják a legalapvetőbb építőelemeket. Száz kémiai elem jelenlétében ezt nem könnyű megtenni. Őseink úgy gondolták, hogy minden öt elemből áll - föld, víz, tűz, levegő és éter. Az öt sokkal egyszerűbb, mint száznyolcvan. És rossz is. Ön biztosan tudja, hogy a körülöttünk lévő világ molekulákból áll, és a molekulák atomokból készülnek. Dmitrij Mendelejev kémikus kitalálta ezt az 1860-as években, és az atomok táblázatában bemutatta az atomot, amelyet ma az iskolában tanulnak. De ezeknek a kémiai elemeknek a száma 118: antimon, arzén, alumínium, szelén … és még 114.
1932-ben a tudósok tudták, hogy ezek az atomok csak három részecskéből állnak - neutronokból, protonokból és elektronokból. A neutronok és a protonok szorosan kapcsolódnak egymáshoz a magban. Az elektronok, ezektől kétszer könnyebbek, a fény közelébe keringenek a mag körül. Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg és mások fizikusok új tudományt vezettek be - a kvantummechanikát -, hogy megmagyarázzák ezt a mozgást.
Nagyszerű lenne itt megállni. Csak három részecske. Még könnyebb, mint öt. De hogyan ragaszkodnak egymáshoz? A negatív töltésű elektronokat és a pozitív töltésű protonokat az elektromágnesesség erõi tartják együtt. De a protonok ugrálnak a sejtmagban, és pozitív töltéseiknek el kell távolítaniuk őket. Még a semleges neutronok sem segítenek.
Promóciós videó:
Mi köti össze ezeket a protonokat és neutronokat? "Isteni beavatkozás"? De még az isteni lénynek is nehézségei lennének az univerzumban lévő 1080 proton és neutron nyomon követésével, és az akaraterővel tartva őket.
A részecskék állatkertjének kibővítése
Eközben a természet kétségbeesetten visszautasítja, hogy csak három részecskét tároljon állatkertében. Még négy, mert figyelembe kell vennünk a fotont, az Einstein által leírt fényrészecskét. A négyből öt lett, amikor Anderson pozitívan töltött elektronokat - pozitronokat - mért a Föld felé az űrből. Ötből hat lett, amikor felfedezték a magot, mint egészet tartó és Yukawa által megjósolt bazsarózsa.
Aztán megjelent a muon - 200-szor nehezebb, mint az elektron, de egyébként ikre. Már hét. Nem olyan könnyű.
Az 1960-as évekre több száz "alapvető" részecske volt. A jól szervezett periódusos rendszer helyett csak a barionok (nehéz részecskék, mint protonok és neutronok), a mezonok (mint például a Yukawa pionok) és a leptonok (a könnyű részecskék, mint az elektronok és a megsemmisíthető neutrinók) hosszú listája volt, bármilyen felépítés vagy alapelvek nélkül.
És ebben a mélységben megszületett a standard modell. Nem volt betekintés. Archimedes nem ugrott ki a fürdőszobából, és azt kiáltotta: "Eureka!" Nem, ehelyett az 1960-as évek közepén néhány okos ember tett fontos feltevéseket, amelyek ezt a nehézséget először egyszerű elméletgé, majd ötven éves kísérleti tesztelés és elméleti fejlesztés eszközzé tették.
Kvarkok. Hat lehetőséget kaptak, amelyeket ízeknek nevezünk. Mint a virágok, csak nem annyira ízletes illatú. Rózsák, liliomok és levendula helyett fel és le, furcsa és varázslatos, kedves és valódi kvarkokat kaptunk fel. 1964-ben Gell-Mann és Zweig tanítottak nekünk, hogyan kell három kvarkot összekeverni, hogy bariont kapjunk. A proton kettő feletti és egy lefelé kvarc; neutron - kettő alsó és egy felső. Vegyünk egy kvarkot és egy antikót - szerezzünk egy mezont. A pünkösdi rózsa egy felfelé vagy lefelé irányuló kvarc, amely felfelé vagy lefelé antiquarkhoz kapcsolódik. Minden kérdés, amivel foglalkozunk, felfelé és lefelé kvarkokból, antikvarkokból és elektronokból áll.
Egyszerűség. Nem éppen az egyszerűség, mert a kvarkokat kötve nem könnyű. Olyan szorosan kötődnek egymáshoz, hogy soha nem talál önmagában kóboroló vagy kőgömböt. Ennek a kapcsolatnak az elméletét és a benne résztvevő részecskéket, nevezetesen a gluonokat kvantumkromodinamikának nevezzük. Ez a standard modell fontos része, matematikailag összetett, és néhány helyen még az alapmatematika számára sem oldható meg. A fizikusok mindent megtesznek a számítások elvégzéséhez, de a matematikai berendezés néha nem fejlett.
A standard modell másik aspektusa a "lepton modell". Ez a Steven Weinberg 1967-es mérföldkőnek nevezett cikk címe, amely a kvantummechanikát egyesítette a részecskék kölcsönhatásának alapvető ismereteivel, és egységes elméletbe rendezte őket. Bekapcsolta az elektromágnesességet, és hozzákapcsolt egy "gyenge erőhez", amely bizonyos radioaktív bomlásokhoz vezet, és elmagyarázta, hogy ezek ugyanazon erő különféle megnyilvánulásai. A Higgs-mechanizmust beépítették ebbe a modellbe, amely tömeget ad az alapvető részecskékhez.
Azóta a standard modell előre jelezte a kísérletek eredményeit, többek között kvarkok, valamint W- és Z-boszonok sokféle fajtájának felfedezését - nehéz részecskék, amelyek gyenge kölcsönhatásokban ugyanolyan szerepet töltenek be, mint a foton az elektromágnesességben. Az 1960-as években kihagyták annak a lehetőségét, hogy a neutrinók tömege megtörténjen, de a standard modell az 1990-es években, néhány évtizeddel később megerősítette.
A Higgs-bozon 2012-ben történt felfedezése, amelyet a standard modell előre jelez és régóta várt, nem volt meglepő. De ez egy másik nagy győzelem volt a standard modell számára a sötét erők felett, amelyeket a részecskefizikusok rendszeresen elvárnak a láthatáron. A fizikusoknak nem tetszik, hogy a standard modell nem felel meg az egyszerű elgondolásaiknak, aggódnak annak matematikai inkonzisztenciája miatt, és arra is törekednek, hogy a gravitációt beépítsék az egyenletbe. Nyilvánvaló, hogy ez a fizika különféle elméleteire fordul, amelyek lehetnek a standard modell után. Így alakultak ki a nagy egyesülési elméletek, a szuperszimmetria, a technokor és a húr elmélet.
Sajnos a szabványmodellön kívüli elméletek nem találtak sikeres kísérleti bizonyítékot, és a standard modellben nincsenek lényeges hibái. Ötven évvel később a standard modell a legközelebb ahhoz, hogy minden elmélete legyen. Csodálatos elmélet szinte mindent.
Ilya Khel