Стандартная модель. Какое же скучное название у самой точной научной теории и очень важной для человечества.
Более четверти Нобелевских премий по физике за весь прошлый век так или иначе связаны со Стандартной моделью.
Многие могут вспомнить восторг среди ученых и средств массовой информации, когда в 2012 году был открыт бозон Хиггса. Но это многозадачное событие не появилось словно гром среди ясного неба. Оно стало экспериментальным подтверждением существования элементарных частиц, предсказанных той самой Стандартной моделью. Все попытки перевернуть модель и продемонстрировать, что она должна быть переработана, потерпели неудачу.
Если говорить просто, Стандартная модель отвечает на вопросы «из чего все сделано?» и «как оно держится?».
Мельчайшие строительные блоки
Вы уже знаете, что весь окружающий мир состоит из молекул, а молекулы – из атомов. Химик Дмитрий Менделеев понял это еще в 1860 году и организовал все атомы (элементы) в компактную и полезную периодическую таблицу. Существует аж 118 разных химических элементов.
Физикам нравится все простое. Мы хотим довести дело до самой сущности, нескольких ключевых строительных блоков. Более ста химических элементов – не просты. В древние времена считали, что все состоит всего из пяти элементов: земля, вода, огонь, воздух, эфир. Пять – гораздо проще 118, но мы то с вами знаем, что все не так.
К 1932 году ученые узнали, что все атомы состоят из 3 частиц: нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. Электроны, в тысячи раз светлее, вращаются вокруг этого ядра со скоростью близкой к скорости света. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и их друзья изобрели новую науку, объясняющую эти движения. Она известна под названием Квантовой механики.
Прекрасная точка, чтобы остановиться. Всего три частицы, это даже проще, чем пять. Но как они держатся вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны связаны вместе электромагнетизмом. Но положительные заряды протонов, сбитых в ядро, должны сильно отталкивать их. Нейтральные нейтроны здесь никак не помогут. Интересно, но мы рассмотрим кое-что другое.
Расширение зоопарка частиц
· Природа отказалась сохранять свой зоопарк частиц всего с тремя экземплярами.
· На самом деле, с четырьмя. Фотоны также следует учитывать. Это частица света, описываемая еще Эйнштейном.
· Из четырех мы плавно переходим к пяти, поскольку Карл Дейвид Андерсон измерил электроны с положительным зарядом, позитроны, которые бьют по Земле из космоса. Дирак предсказывал существование этих первых частиц антиматерии.
· А далее из пяти их становится шесть. За это нужно поблагодарить Хидэки Юкаву, который предсказал существование частиц пионов.
· Следующим появился мюон. Это почти точная копия электрона, но с одним важным отличием – массой в 200 раз больше.
Подводим итоги. У нас получилась семерка. Не слишком просто, какмы хотели. Даже избыточно.
К 1960 годам существовали сотни «фундаментальных частиц». Вместо одной, хорошо организованной таблицы, появились только длинные списки:
· Барионов - тяжелых частиц, таких как протоны и нейтроны;
· Мезонов – в которые входят пионы Юкавы;
· Лептоны – легкие частицы, такие как электроны и нейтрино.
Любая их организация или руководящие принципы отсутствовали.
Не было никакой моментальной «эврики» или молниеносного решения, которые могли бы привести все в порядок. Вместо этого, в средине 1960 годов появился ряд важных идей, которые превратили всю кашу в одну простую теорию. На протяжение 50 лет велась теоретическая разработка и экспериментальная проверка.
Кварки, лептоны, бозоны
Кварки. Существует 6 типов кварков, которые называют ароматами: верхний, нижний, очарованный, истинный, странный, прелестный. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас рецептам: смешивать и сопоставлять три кварка, чтобы получить барион. Протоны – это два верхних и нижних кварка. Нейтроны – два нижних и один верхний. Возьмите один кварк и один антикварк, чтобы получить мезон. А пион – это верхний или нижний кварк, смешанный с антиверхним или антинижним.
Все материалы нашей повседневной жизни состоят только из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.
Сохранение кварков приравнивается к подвигу. Они настолько тесно связаны друг с другом, что найти их самостоятельно не получается. Теория этого связывания, а также частиц, называемых глюонами – это квантовая хромодинамика. Теория составляет жизненно важную часть Стандартной модели, но математически сложна и даже представляет нерешенную проблему базовой математики.
Другой аспект Стандартной модели – «Модель лептонов». Статья о них появилась в 1967 году под авторством Стивена Вайнберга. Он объединил квантовую механику с жизненно важными знаниями о том, как взаимодействуют частицы и организовал это все в одну теорию. Он включил уже знакомый электромагнетизм, указав его в качестве «слабой силы», вызывающей определенные радиоактивные распады. Он также включил механизм Хиггса для передачи массы фундаментальным частицам.
С тех пор Стандартная модель предсказала результаты ряда экспериментов, включая открытие нескольких разновидностей кварков, а также W и Z бозонов – тяжелых частиц, которые для слабого взаимодействия действуют так же, как фотоны для электромагнетизма. Предположения того, что у нейтрино есть масса, зародились в 1960-х и растянулись на несколько десятилетий, пока не вошли в Стандартную модель в 1990 годах.
Мы благодарны Вам за чтение наших материалов!
Подписывайтесь на канал Achernar и получайте больше интересных публикаций в своей ленте. Вы можете найти нас и на других площадках:
Вконтакте | Telegram | Одноклассники
