Model standard. Ce nume stupid pentru cea mai exactă teorie științifică cunoscută omenirii. Mai mult de un sfert din Premiile Nobel în fizică din secolul trecut au fost acordate unor lucrări care erau direct sau indirect legate de modelul standard. Numele ei, desigur, este cum ar fi dacă puteți cumpăra o îmbunătățire pentru câteva sute de ruble. Orice fizician teoretic ar prefera „teoria uimitoare a aproape totul”, care este cu adevărat.
Mulți își aduc aminte de entuziasmul oamenilor de știință și al mass-media pentru descoperirea bosonului Higgs în 2012. Dar descoperirea sa nu a venit ca o surpriză și nu a ieșit de nicăieri - a marcat 50 de ani de la șirul câștigător al Modelului Standard. Cuprinde fiecare forță fundamentală, cu excepția gravitației. Orice încercare de a-l respinge și de a demonstra în laborator că a fost necesară pentru a fi refăcută complet - și au fost mulți - nu a reușit.
Pe scurt, modelul standard răspunde la această întrebare: din ce se face totul și cum se potrivește totul?
Cele mai mici blocuri de construcții
Fizicienilor adoră lucrurile simple. Ei vor să spargă totul până la baza sa, pentru a găsi cele mai de bază blocuri de construcție. Nu este atât de ușor să faci acest lucru în prezența a sute de elemente chimice. Strămoșii noștri credeau că totul este format din cinci elemente - pământ, apă, foc, aer și eter. Cinci este mult mai simplu decât o sută optsprezece. Și, de asemenea, greșit. Cu siguranță știți că lumea din jurul nostru este formată din molecule, iar moleculele sunt formate din atomi. Chimistul Dmitry Mendeleev a descris acest lucru în anii 1860 și a prezentat atomii în tabelul elementelor, care este studiat astăzi în școală. Există însă 118 dintre aceste elemente chimice: antimoniu, arsen, aluminiu, seleniu … și încă 114.
În 1932, oamenii de știință știau că toți acești atomi sunt alcătuiți doar din trei particule - neutroni, protoni și electroni. Neutronii și protonii sunt strâns legați între ei în nucleu. Electronii, de mii de ori mai ușori decât ei, se înconjoară în jurul nucleului la o viteză aproape de lumină. Fizicienii Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg și alții au introdus o nouă știință - mecanica cuantică - pentru a explica această mișcare.
Ar fi minunat să mă opresc acolo. Doar trei particule. Este chiar mai ușor decât cinci. Dar cum se lipesc? Electronii încărcați negativ și protonii încărcați pozitiv sunt ținuți împreună de forțele electromagnetismului. Însă protonii se dau în nucleu și încărcările lor pozitive ar trebui să-i împingă departe. Nici neutronii neutri nu vor ajuta.
Video promotional:
Ce leagă acești protoni și neutroni? "Intervenție divină"? Dar chiar și o ființă divină ar avea probleme pentru a urmări fiecare dintre cei 1080 de protoni și neutroni din univers, ținându-i prin putere de voință.
Extinderea grădinii zoologice a particulelor
Între timp, natura refuză cu disperare să stocheze doar trei particule în grădina zoologică. Chiar și patru, pentru că trebuie să facem cont de fotonul, particula de lumină descrisă de Einstein. Patru s-au transformat în cinci când Anderson a măsurat electroni încărcați pozitiv - pozitroni - care lovesc Pământul din spațiul exterior. Cinci au devenit șase când bujorul care ține miezul în ansamblu și prevăzut de Yukawa a fost descoperit.
Apoi a apărut muonul - de 200 de ori mai greu decât electronul, dar altfel gemenul său. Sunt deja șapte. Nu asa de usor.
Până în anii ’60, existau sute de particule „fundamentale”. În locul unui tabel periodic bine organizat, existau doar liste lungi de baroni (particule grele precum protonii și neutronii), mezoanele (ca pionii Yukawa) și leptonele (particule ușoare precum electronii și neutrinii evazivi), fără nicio organizare sau principii de proiectare.
Și în acest abis s-a născut Modelul Standard. Nu a existat o perspectivă. Arhimede nu a sărit din baie strigând "Eureka!" Nu, în schimb, la mijlocul anilor ’60, câțiva oameni deștepți au făcut presupuneri importante care au transformat acest vraci, mai întâi într-o simplă teorie, apoi în cincizeci de ani de testare experimentală și dezvoltare teoretică.
Cuarci. Au primit șase opțiuni pe care le numim arome. La fel ca florile, pur și simplu nu miros atât de gustos. În loc de trandafiri, nuferi și lavandă, ne-am ridicat și am coborât, ciudat și fermecător, vraci frumoși și adevărați. În 1964, Gell-Mann și Zweig ne-au învățat cum să amestecăm trei quarkuri pentru a face un barion. Un proton este doi în sus și unul în jos; neutron - două inferioare și una superioară. Luați un quark și un antiquark - obțineți un meson. O bujor este un quark în sus sau în jos asociat cu un antiquark în sus sau în jos. Toată materia cu care avem de-a face este constituită din quarkuri, antiquarks și electroni.
Simplitate. Totuși, nu tocmai simplitatea, pentru că menținerea de quark-uri nu este ușoară. Se leagă atât de strâns încât nu vei găsi niciodată un quark sau un antiquark rătăcind de unul singur. Teoria acestei conexiuni și particulele care iau parte la ea, și anume gluonii, sunt numite cromodinamică cuantică. Aceasta este o parte importantă a modelului standard, complex matematic și, în unele locuri, chiar nesolvabil pentru matematica de bază. Fizicienii fac tot posibilul să facă calcule, dar uneori aparatul matematic nu este suficient dezvoltat.
Un alt aspect al modelului standard este „modelul lepton”. Acesta este titlul unei lucrări de reper din 1967, de Steven Weinberg, care a combinat mecanica cuantică cu cunoștințe esențiale despre modul în care particulele interacționează și le organizează într-o teorie unificată. El a pornit electromagnetismul, l-a asociat cu o „forță slabă” care duce la anumite degradări radioactive și a explicat că acestea sunt manifestări diferite ale aceleiași forțe. Mecanismul Higgs a fost inclus în acest model, oferind masă particulelor fundamentale.
De atunci, Modelul Standard a prezis rezultatele experimentelor după rezultate, incluzând descoperirea mai multor varietăți de quarkuri și bosoni W și Z - particule grele care, în interacțiuni slabe, îndeplinesc același rol ca un foton în electromagnetism. Posibilitatea ca neutrinii să aibă masă a fost ratată în anii '60, dar confirmată de modelul standard în anii '90, câteva decenii mai târziu.
Descoperirea bosonului Higgs în 2012, prevăzută cu mult timp de modelul standard și mult așteptată, nu a venit însă ca o surpriză. Dar a fost o altă victorie majoră pentru Modelul Standard asupra forțelor întunecate pe care fizicienii cu particule le așteaptă în mod regulat la orizont. Fizicienilor nu le place ca modelul standard să nu corespundă cu ideile lor simple, sunt îngrijorați de inconsistența sa matematică și caută, de asemenea, o modalitate de a include gravitația în ecuație. Evident, aceasta se traduce prin diferite teorii ale fizicii, care ar putea fi după Modelul Standard. Așa au apărut teoriile unificării, supersimetria, tehnocolorul și teoria șirurilor.
Din păcate, teoriile din afara Modelului Standard nu au găsit dovezi experimentale de succes și niciun defect major în Modelul Standard. Cincizeci de ani mai târziu, modelul standard este cel mai aproape de a fi o teorie a tuturor. Teoria uimitoare a aproape totul.
Ilya Khel
