Standardni model. Kakvo glupo ime za najtačniju znanstvenu teoriju poznatu čovječanstvu. Više od četvrtine Nobelovih nagrada za fiziku prošlog stoljeća dodijeljeno je djelima koja su bila izravno ili neizravno povezana sa Standardnim modelom. Njeno je ime, naravno, takvo kao da možete kupiti poboljšanje za par stotina rubalja. Bilo koji teorijski fizičar preferirao bi "zadivljujuću teoriju o gotovo svemu", kakva uistinu jest.
Mnogi se sjećaju uzbuđenja među znanstvenicima i u medijima zbog otkrića Higgsovog bozona 2012. godine. No njegovo otkriće nije iznenadilo i nije niotkuda - obilježilo je 50. obljetnicu pobjedničkog niza Standardnog modela. Uključuje svaku temeljnu silu osim gravitacije. Svaki pokušaj da to opovrgnu i pokažu u laboratoriju da ga je potrebno potpuno preraditi - a bilo ih je mnogo - nije uspio.
Ukratko, Standardni model odgovara na ovo pitanje: od čega se sve sastoji i kako se sve kombinira?
Najmanji građevni blokovi
Fizičari vole jednostavne stvari. Žele srušiti sve do srži, pronaći najosnovnije građevne blokove. To nije tako lako učiniti u prisutnosti stotina kemijskih elemenata. Naši preci vjerovali su da se sve sastoji od pet elemenata - zemlje, vode, vatre, zraka i etera. Pet je puno jednostavnije od sto osamnaest. A također i pogrešno. Sigurno znate da je svijet oko nas načinjen od molekula, a molekule su od atoma. Kemičar Dmitrij Mendeleev to je shvatio 1860-ih i predstavio atome u tablici elemenata, koja se danas proučava u školi. Ali, tih kemijskih elemenata ima 118. Antimon, arsen, aluminij, selen … i još 114.
1932. znanstvenici su znali da se svi ti atomi sastoje od samo tri čestice - neutrona, protona i elektrona. Neutroni i protoni usko su povezani jedni s drugima u jezgri. Elektroni, tisuće puta lakši od njih, kruže oko jezgre brzinom bliskom svjetlosti. Fizičari Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg i drugi uveli su novu znanost - kvantnu mehaniku - kako bi objasnili ovaj pokret.
Bilo bi super zaustaviti se tamo. Samo tri čestice. Čak je lakše nego pet. Ali kako se oni drže zajedno? Negativno nabijeni elektroni i pozitivno nabijeni protoni drže se zajedno silama elektromagnetizma. Ali protoni skakuću u jezgri i njihovi pozitivni naboji trebali bi ih odgurnuti. Ni neutralni neutroni neće pomoći.
Promotivni video:
Što sve povezuje ove protone i neutrone? "Božanska intervencija"? Ali čak bi i božansko biće imalo teško pratiti svaki od 1080 protona i neutrona u svemiru, držeći ih voljom.
Širenje zoološkog vrta čestica
U međuvremenu, priroda očajnički odbija pohraniti samo tri čestice u svoj zoološki vrt. Čak četiri, jer moramo uzeti u obzir foton, česticu svjetlosti koju je opisao Einstein. Četiri su se pretvorila u pet kad je Anderson izmjerio pozitivno nabijene elektrone - pozitrone - koji su pogodili Zemlju iz svemira. Pet ih je postalo šest kad je otkriven božur koji drži jezgru kao cjelinu i predviđa Yukawa.
Tada se pojavio muon - 200 puta teži od elektrona, ali inače njegov blizanac. Već je sedam. Nije baš lako.
Do 1960-ih postojalo je stotine "temeljnih" čestica. Umjesto dobro organizirane periodične tablice, postojali su samo dugački popisi bariona (teške čestice poput protona i neutrona), mezona (poput Yukawa piona) i leptona (lagane čestice poput elektrona i neuhvatljivih neutrina), bez ikakve organizacije ili načela dizajna.
I u ovom se ponoru rodio Standardni model. Nije bilo uvida. Archimedes nije skočio iz kupaonice uzvikujući "Eureka!" Ne, umjesto toga, sredinom 1960-ih, nekoliko pametnih ljudi stvorilo je važne pretpostavke koje su pretvorile ovaj blato prvo u jednostavnu teoriju, a zatim u pedeset godina eksperimentalnog testiranja i teorijskog razvoja.
Kvarkovi. Imali su šest opcija koje nazivamo okusima. Poput cvijeća, samo što ne tako ukusno miriše. Umjesto ruža, ljiljana i lavande digli smo se gore i dolje, čudne i očaravajuće, ljupke i prave kvarkove. 1964. Gell-Mann i Zweig su nas naučili kako miješati tri kvarka kako bismo napravili barion. Proton je dva kvarka gore i jedan dolje; neutron - dva donja i jedna gornja. Uzmi jedan kvark i jedan antikvark - uzmi meson. Božur je kvark prema gore ili dolje povezan s antikvarkom prema gore ili dolje. Sva materija s kojom imamo posla sastoji se od kvarkova prema gore i dolje, antikvarkova i elektrona.
Jednostavnost. Nije baš jednostavnost, jer vezati kvarkove nije lako. Oni se vežu tako čvrsto da nikad nećete naći kvark ili antikvark koji lutaju sami. Teorija o ovoj vezi i čestice koje u njoj sudjeluju, naime gluoni, nazivamo kvantnom kromodinamikom. Ovo je važan dio Standardnog modela, matematički složen, a na nekim mjestima čak i nerešiv za osnovnu matematiku. Fizičari daju sve od sebe kako bi mogli izračunati, ali ponekad matematički aparat nije dovoljno razvijen.
Drugi aspekt Standardnog modela je "lepton model". To je naslov značajnog rada Stevena Weinberga iz 1967. godine koji je kombinirao kvantnu mehaniku s osnovnim znanjem o načinu djelovanja čestica i organiziranju u jedinstvenu teoriju. Uključio je elektromagnetizam, povezao ga sa „slabom silom“koja dovodi do određenih radioaktivnih raspada i objasnio da su to različite manifestacije iste sile. U ovaj je model bio uključen i Higgsov mehanizam koji je davao masu temeljnim česticama.
Od tada je standardni model predvidio rezultate eksperimenata nakon rezultata, uključujući otkriće nekoliko sorti kvarkova i W i Z bozona - teških čestica koje u slabim interakcijama ispunjavaju istu ulogu kao foton u elektromagnetizmu. Mogućnost da neutrini imaju masu propuštena je u 1960-ima, ali je potvrdio Standard Model 1990-ih, nekoliko desetljeća kasnije.
Otkrivanje Higgsovog bozona u 2012. godini, koji je Standard model predvidio i dugo čekao, ipak nije iznenadilo. Ali to je bila još jedna velika pobjeda Standardnog modela nad tamnim silama koje fizičari čestica redovito očekuju na horizontu. Fizičarima se ne sviđa što Standardni model ne odgovara njihovim jednostavnim idejama, brinu se zbog njegove matematičke nedosljednosti, a također traže načine kako u jednadžbu uključiti gravitaciju. Očito se to pretvara u različite teorije fizike, što može biti nakon standardnog modela. Tako su nastale teorije velikog objedinjavanja, supersimetrija, tehnokolor i teorija struna.
Nažalost, teorije izvan standardnog modela nisu pronašle uspješne eksperimentalne dokaze i ne postoje velike nedostatke u standardnom modelu. Pedeset godina kasnije, Standardni model je najbliži teoriji svega. Iznenađujuća teorija gotovo svega.
Ilya Khel