Standard model. Hvilket dumt navn for den mest nøjagtige videnskabelige teori, som menneskeheden kender. Mere end en fjerdedel af Nobelpriserne i fysik i det forrige århundrede blev tildelt til værker, der enten var direkte eller indirekte relateret til standardmodellen. Hendes navn er selvfølgelig sådan, som hvis du kan købe en forbedring for et par hundrede rubler. Enhver teoretisk fysiker foretrækker den”fantastiske teori om næsten alt”, som det virkelig er.
Mange husker spændingen blandt forskere og i medierne over opdagelsen af Higgs boson i 2012. Men dens opdagelse kom ikke som en overraskelse og kom ikke ud af intetsteds - det markerede 50-års jubilæum for den vindende streg af Standard Model. Det inkluderer enhver grundlæggende kraft undtagen tyngdekraften. Ethvert forsøg på at tilbagevise det og demonstrere i laboratoriet, at det var nødvendigt at blive omarbejdet - og der var mange - mislykkedes.
Kort sagt svarer Standardmodellen på dette spørgsmål: Hvad er alt sammen lavet af, og hvordan passer alt sammen?
De mindste byggesten
Fysikere elsker enkle ting. De vil sprænge alt sammen til kernen for at finde de mest basale byggesten. Det er ikke så let at gøre dette i nærværelse af hundreder af kemiske elementer. Vores forfædre troede, at alt består af fem elementer - jord, vand, ild, luft og ether. Fem er meget enklere end hundrede og atten. Og også forkert. Du ved bestemt, at verden omkring os er lavet af molekyler, og molekyler er lavet af atomer. Kemiker Dmitry Mendeleev regnede ud dette i 1860'erne og præsenterede atomer i tabellen over elementer, som studeres i skolen i dag. Men der er 118 af disse kemiske elementer. Antimon, arsen, aluminium, selen … og 114 mere.
I 1932 vidste videnskabsmænd, at alle disse atomer kun består af tre partikler - neutroner, protoner og elektroner. Neutroner og protoner er tæt beslægtet med hinanden i kernen. Elektroner, tusinder af gange lettere end dem, cirkler rundt om kernen med en hastighed tæt på lys. Fysikerne Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg og andre har introduceret en ny videnskab - kvantemekanik - for at forklare denne bevægelse.
Det ville være dejligt at stoppe der. Kun tre partikler. Det er endnu lettere end fem. Men hvordan klæber de sig sammen? Negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner holdes sammen af kræfterne i elektromagnetisme. Men protonerne hopper i kernen, og deres positive ladninger burde skubbe dem væk. Selv neutrale neutroner hjælper ikke.
Salgsfremmende video:
Hvad binder disse protoner og neutroner sammen? "Guddommelig indgriben"? Men selv et guddommeligt væsen ville have problemer med at holde styr på hver af de 1080 protoner og neutroner i universet og holde dem ved viljestyrke.
Udvidelse af zoologiske have af partikler
I mellemtiden nægter naturen desperat kun at opbevare tre partikler i sin zoologiske have. Selv fire, fordi vi er nødt til at redegøre for fotonen, den partikel af lys, der er beskrevet af Einstein. Fire blev til fem, da Anderson målte positivt ladede elektroner - positroner - der ramte Jorden fra det ydre rum. Fem blev seks, da den pæon, der holdt kernen som helhed og forudsagt af Yukawa, blev opdaget.
Derefter dukkede muon op - 200 gange tungere end elektronet, men ellers dens tvilling. Det er allerede syv. Ikke så let.
I 1960'erne var der hundredvis af "grundlæggende" partikler. I stedet for en velorganiseret periodisk tabel var der kun lange lister med baryoner (tunge partikler som protoner og neutroner), mesoner (som Yukawa-pioner) og leptoner (lette partikler som elektroner og undvigende neutrinoer) uden nogen organisering eller principper for design.
Og i denne afgrund blev Standardmodellen født. Der var ingen indsigt. Archimedes sprang ikke ud af badeværelset og råbte "Eureka!" Nej, i stedet for i midten af 1960'erne gik nogle få smarte mennesker vigtige antagelser, der gjorde denne kvagmyr, først til en simpel teori og derefter til 50 år med eksperimentel test og teoretisk udvikling.
Kvarker. De fik seks muligheder, som vi kalder smag. Som blomster, bare ikke så velsmagende lugtende. I stedet for roser, liljer og lavendel stod vi op og ned, mærkelige og fortryllende, dejlige og ægte kvarker. I 1964 lærte Gell-Mann og Zweig os, hvordan man blander tre kvarker til at lave en baryon. En proton er to op og en ned kvark; neutron - to nedre og en øvre. Tag en kvark og en antikvark - få en meson. En pæon er en op eller ned kvark, der er forbundet med en op eller ned antikark. Alle sager, som vi har at gøre med, består af op og ned kvarker, antikvarker og elektroner.
Enkelhed. Ikke ligefrem enkelhed, for det er ikke let at holde bundet af kvarker. De binder sig så tæt sammen, at du aldrig vil finde en kvark eller antikvarke vandrende på egen hånd. Teorien om denne forbindelse og de partikler, der deltager i den, nemlig gluoner, kaldes kvante-kromodynamik. Dette er en vigtig del af standardmodellen, matematisk kompleks, og nogle steder endda uopløselig til grundlæggende matematik. Fysikere gør deres bedste for at foretage beregninger, men undertiden er det matematiske apparat ikke tilstrækkeligt udviklet.
Et andet aspekt af standardmodellen er "leptonmodellen". Dette er titlen på et vartegn fra 1967 af Steven Weinberg, der kombinerede kvantemekanik med essentiel viden om, hvordan partikler interagerer og organiserer dem i en samlet teori. Han tændte for elektromagnetisme, associerede den med en "svag kraft", der fører til visse radioaktive forfald, og forklarede, at dette er forskellige manifestationer af den samme kraft. Higgs-mekanismen blev inkluderet i denne model, hvilket gav masse til grundlæggende partikler.
Siden da har standardmodellen forudsagt resultaterne af eksperimenter efter resultater, herunder opdagelsen af flere sorter af kvarker og W- og Z-bosoner - tunge partikler, der i svage interaktioner spiller den samme rolle som en foton i elektromagnetisme. Muligheden for, at neutrinoer har masse, blev savnet i 1960'erne, men blev bekræftet af standardmodellen i 1990'erne, flere årtier senere.
Opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012, længe forudsagt af standardmodellen og længe ventet, kom imidlertid ikke som en overraskelse. Men det var en anden stor sejr for Standardmodellen over de mørke kræfter, som partikelfysikere regelmæssigt forventer i horisonten. Fysikere kan ikke lide, at standardmodellen ikke svarer til deres ideer om det enkle, de er bekymrede for dens matematiske inkonsekvens, og de leder også efter måder at inkludere tyngdekraft i ligningen. Naturligvis oversættes dette til forskellige fysiske teorier, som kan være efter standardmodellen. Dette er, hvordan grand unification teorier, supersymmetri, technocolor og streng teori opstod.
Desværre har teorier uden for standardmodellen ikke fundet succesrige eksperimentelle beviser og ingen større mangler ved standardmodellen. Halvtreds år senere er det Standardmodellen, der kommer tættest på at være en teori om alt. Fantastisk teori om næsten alt.
Ilya Khel