Hi-Tech

Стандартная модель: удивительная теория почти всего

Что за дурацкое название для самой точной научной теории из всех известных человечеству. Стандартная модель. Название у нее, конечно, такое, будто за пару сотен рублей можно купить улучшение. Более четверти нобелевских премий по физике прошлого века были присуждены работам, которые либо прямо, либо косвенно были связаны со Стандартной моделью. Любой физик-теоретик предпочел бы «удивительную теорию почти всего», каковой она, собственно, и является.

Но его открытие не стало сюрпризом и не возникло из ниоткуда — оно ознаменовало собой пятидесятилетие череды побед Стандартной модели. Многие помнят волнение среди ученых и в СМИ, вызванное открытием бозона Хиггса в 2012 году. Любая попытка опровергнуть ее и продемонстрировать в лаборатории, что ее нужно полностью переработать, — а таких было много — терпела неудачу. Она включает каждую фундаментальную силу, кроме гравитации.

Короче говоря, Стандартная модель отвечает на этот вопрос: из чего все сделано и как все держится вместе?

Мельчайшие строительные блоки

Они хотят раздробить все до самой сути, найти самые базовые строительные блоки. Физики любят простые вещи. Наши предки считали, что все состоит из пяти элементов —  земли, воды, огня, воздуха и эфира. Проделать это при наличии сотни химических элементов не так-то просто. И также неверно. Пять намного проще ста восемнадцати. Химик Дмитрий Менделеев выяснил это в 1860-х годах и представил атомы в таблице элементов, которую сегодня изучают в школе. Вы, безусловно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Сурьма, мышьяк, алюминий, селен… и еще 114. Но этих химических элементов 118.

Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. В 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоит из всего трех частиц — нейтронов, протонов и электронов. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и другие представили новую науку — квантовую механику — для объяснения этого движения. Электроны, в тысячи раз легче их, кружат вокруг ядра на скорости, близкой к световой.

Всего три частицы. На этом было бы прекрасно остановиться. Но как они держатся вместе? Это даже проще, чем пять. Но протоны сбиваются в ядре и их положительные заряды должны расталкивать их прочь. Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны скрепляются вместе силами электромагнетизма. Не помогут даже нейтральные нейтроны.

«Божественное вмешательство»? Что связывает эти протоны и нейтроны вместе? Но даже божественному существу доставило бы проблем следить за каждым из 1080 протонов и нейтронов во Вселенной, удерживая их силой воли.

Расширяя зоопарк частиц

Даже четыре, потому что нам нужно учесть фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Между тем природа отчаянно отказывается хранить в своем зоопарке всего три частицы. Пять стали шестью, когда был обнаружен пион, удерживающий ядро в целом и предсказанный Юкавой. Четыре превратились в пять, когда Андерсон измерил электроны с положительным зарядом — позитроны — которые бьют по Земле из внешнего космоса.

Это уже семь. Затем появился мюон — в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном его близнец. Не так уж и просто.

Вместо хорошо организованной периодической таблицы были только длинные списки барионов (тяжелых частиц вроде протонов и нейтронов), мезонов (вроде пионов Юкавы) и лептонов (легких частиц, таких как электрон и неуловимые нейтрино), без какой-либо организации и принципов устройства. К 1960-м годам были сотни «фундаментальных» частиц.

Не было никакого озарения. И в этой пучине родилась Стандартная модель. Нет, вместо этого в середине 1960-х несколько умных людей выдвинули важные предположения, которые превратили эту трясину сперва в простую теорию, а затем в пятьдесят лет экспериментальной проверки и теоретической разработки. Архимед не выпрыгнул из ванной с криком «Эврика!».

Они получили шесть вариантов, которые мы называем ароматами. Кварки. Вместо роз, лилий и лаванды мы получили верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный кварки. Как у цветов, только не так вкусно пахнущие. Протон ­– это два верхних и один нижний кварк; нейтрон – два нижних и один верхний. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас смешивать три кварка, чтобы получать барион. Пион – это верхний или нижний кварк, связанный с верхним или нижним антикварком. Возьмите один кварк и один антикварк – получите мезон. Все вещество, с которым мы имеем дело, состоит из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.

Хоть и не совсем простота, потому что удерживать кварки связанными нелегко. Простота. Теория этой связи и частицы, которые принимают в ней участие, а именно глюоны, называется квантовой хромодинамикой. Они соединяются между собой так плотно, что вы никогда не найдете кварка или антикварка, блуждающего самого по себе. Физики делают все возможное, чтобы производить вычисления, но иногда математический аппарат оказывается недостаточно разработан. Это важная часть Стандартной модели, математически сложная, а местами даже нерешаемая для базовой математики.

Это название важнейшей статьи 1967 года, написанной Стивеном Вайнбергом, которая объединила квантовую механику с важнейшими знаниями о том, как взаимодействуют частицы, и организовала их в единую теорию. Еще один аспект Стандартной модели – «модель лептонов». В эту модель был включен механизм Хиггса, дающий массу фундаментальным частицам. Он включил электромагнетизм, связал его со «слабой силой», которая приводит к определенным радиоактивным распадам, и объяснил, что это разные проявления одной и той же силы.

Вероятность того, что нейтрино обладают массой, упустили в 1960-х годах, но подтвердили Стандартной моделью в 1990-х годах, через несколько десятилетий. С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты экспериментов за результатами, включая открытие нескольких разновидностей кварков и W- и Z-бозонов – тяжелых частиц, которые в слабых взаимодействиях выполняют ту же роль, что фотон в электромагнетизме.

Зато стало еще одной важной победой Стандартной модели над темными силами, которые физики частиц регулярно ждут на горизонте. Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанного Стандартной моделью и долгожданного, не стало, тем не менее, неожиданностью. Очевидно, это выливается в разные теории физики, которая может быть после Стандартной модели. Физикам не нравится, что Стандартная модель не соответствует их представлениям о простой, они обеспокоены ее математической непоследовательностью, а также ищут возможность включить гравитацию в уравнение. Так появились теории великого объединения, суперсимметрии, техноколор и теория струн.

Спустя пятьдесят лет именно Стандартная модель ближе всех к статусу теории всего. К сожалению, теории за пределами Стандартной модели не нашли успешных экспериментальных подтверждений и серьезных брешей в Стандартной модели. Удивительная теория почти всего.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть