Standardmodell. Vilket dumt namn för den mest exakta vetenskapliga teorin som man känner till. Mer än en fjärdedel av Nobelpriset i fysik under förra seklet delades ut till verk som antingen var direkt eller indirekt relaterade till standardmodellen. Hennes namn är naturligtvis sådant som om du kan köpa en förbättring för ett par hundra rubel. Varje teoretisk fysiker skulle föredra den "fantastiska teorin om nästan allt", som det verkligen är.
Många minns spänningen bland forskare och i media över upptäckten av Higgs boson 2012. Men dess upptäckt kom inte som en överraskning och kom inte ut från ingenstans - det markerade 50-årsjubileet för den vinnande raden av Standard Model. Den inkluderar alla grundläggande krafter utom gravitation. Varje försök att motbevisa det och visa på laboratoriet att det behövde omarbetas - och det fanns många - misslyckades.
Kort sagt svarar standardmodellen på denna fråga: vad är allt gjord av och hur passar allt ihop?
De minsta byggstenarna
Fysiker älskar enkla saker. De vill förstöra allt till dess kärna, för att hitta de mest grundläggande byggstenarna. Det är inte så lätt att göra detta i närvaro av hundratals kemiska element. Våra förfäder trodde att allt består av fem element - jord, vatten, eld, luft och eter. Fem är mycket enklare än hundra och arton. Och också fel. Du vet säkert att världen runt oss är tillverkad av molekyler och molekyler är gjorda av atomer. Kemisten Dmitry Mendeleev räknade ut detta på 1860-talet och presenterade atomer i elementtabellen, som studeras i skolan idag. Men det finns 118 av dessa kemiska element. Antimon, arsen, aluminium, selen … och 114 till.
År 1932 visste forskare att alla dessa atomer består av endast tre partiklar - neutroner, protoner och elektroner. Neutroner och protoner är nära besläktade med varandra i kärnan. Elektroner, tusentals gånger lättare än dem, cirklar runt kärnan med en hastighet nära ljuset. Fysikerna Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg och andra har infört en ny vetenskap - kvantmekanik - för att förklara denna rörelse.
Det skulle vara bra att stanna där. Endast tre partiklar. Det är ännu enklare än fem. Men hur håller de sig ihop? Negativt laddade elektroner och positivt laddade protoner hålls samman av krafterna för elektromagnetism. Men protonerna studsar i kärnan och deras positiva laddningar borde skjuta dem bort. Även neutrala neutroner hjälper inte.
Kampanjvideo:
Vad binder dessa protoner och neutroner samman? "Gudomligt ingripande"? Men till och med ett gudomligt varelse skulle ha problem med att hålla reda på var och en av 1080 protoner och neutroner i universum och hålla dem med viljestyrka.
Utöka partiklarnas zoo
Samtidigt vägrar naturen desperat att lagra endast tre partiklar i sin zoo. Till och med fyra, eftersom vi måste redogöra för fotonen, den ljuspartikel som beskrivs av Einstein. Fyra blev till fem när Anderson mätte positivt laddade elektroner - positroner - som träffade jorden från yttre rymden. Fem blev sex när pionen som höll kärnan som helhet och förutsagits av Yukawa upptäcktes.
Då dök muon upp - 200 gånger tyngre än elektronen, men annars dess tvilling. Det är redan sju. Inte så enkelt.
Vid 1960-talet fanns det hundratals "grundläggande" partiklar. I stället för en välorganiserad periodisk tabell fanns det bara långa listor med baryoner (tunga partiklar som protoner och neutroner), mesoner (som Yukawa-pioner) och leptoner (lätta partiklar som elektroner och svårfångande neutriner), utan någon organisation eller principer för design.
Och i denna avgrund föddes Standardmodellen. Det fanns ingen insikt. Archimedes hoppade inte ut ur badrummet och skrek "Eureka!" Nej, istället, i mitten av 1960-talet, gjorde några smarta människor viktiga antaganden som förvandlade denna kvistmyr, först till en enkel teori och sedan till femtio år med experimentell testning och teoretisk utveckling.
Kvarkar. De fick sex alternativ som vi kallar smaker. Som blommor, bara inte så välsmakande lukt. I stället för rosor, liljor och lavendel, kom vi upp och ner, konstiga och förtrollande, vackra och sanna kvarkar. 1964 lärde Gell-Mann och Zweig oss hur man blandar tre kvarkar för att göra en baryon. En proton är två upp och en ner kvark; neutron - två nedre och en övre. Ta en kvark och en antikvark - få en meson. En pion är en upp eller ner kvark förknippad med en upp eller ner antikvark. Alla saker som vi har att göra med består av upp och ner kvarkar, antikvetter och elektroner.
Enkelhet. Inte exakt enkelhet, eftersom det inte är lätt att hålla kvarkar bundna. De binds samman så tätt att du aldrig kommer att hitta en kvark eller antikpark som vandrar på egen hand. Teorin om denna koppling och de partiklar som deltar i den, nämligen gluoner, kallas kvantkromodynamik. Detta är en viktig del av standardmodellen, matematiskt komplex, och på vissa platser till och med olöslig för grundläggande matematik. Fysiker gör sitt bästa för att göra beräkningar, men ibland är den matematiska apparaten inte tillräckligt utvecklad.
En annan aspekt av Standardmodellen är "leptonmodellen". Detta är titeln på ett landmärke 1967 av Steven Weinberg som kombinerade kvantmekanik med väsentlig kunskap om hur partiklar interagerar och organiserar dem till en enhetlig teori. Han aktiverade elektromagnetism, associerade den med en "svag kraft" som leder till vissa radioaktiva sönderfall och förklarade att det här är olika manifestationer av samma kraft. Higgs-mekanismen ingick i denna modell, vilket gav massa till grundläggande partiklar.
Sedan dess har standardmodellen förutspått resultaten av experiment efter resultat, inklusive upptäckten av flera sorter av kvarkar och W- och Z-bosoner - tunga partiklar som i svaga interaktioner spelar samma roll som en foton i elektromagnetism. Möjligheten att neutrino har massa missades på 1960-talet, men bekräftades av standardmodellen på 1990-talet, flera decennier senare.
Upptäckten av Higgs boson 2012, länge förutsagd av standardmodellen och efterlängtad, kom dock inte som en överraskning. Men det var ytterligare en stor seger för Standardmodellen över de mörka krafterna som partikelfysiker regelbundet förväntar sig vid horisonten. Fysiker tycker inte om att standardmodellen inte motsvarar deras idéer om det enkla, de är oroliga för dess matematiska inkonsekvens, och de letar också efter sätt att inkludera tyngdkraft i ekvationen. Uppenbarligen översätter detta till olika fysiska teorier, vilket kan vara efter standardmodellen. Detta är hur stora enhetlig teorier, supersymmetri, technocolor och strängteori framkom.
Tyvärr har teorier utanför standardmodellen inte hittat framgångsrika experimentella bevis och inga större brister i standardmodellen. Femtio år senare är det Standardmodellen som kommer närmast att vara en teori om allt. Fantastisk teori om nästan allt.
Ilya Khel
