В древности картина окружающего нас мира представлялась нашим предкам довольно просто. Есть пять базовых элементов - земля, вода, огонь, воздух и эфир. Вот собственно и все из чего состоит все вокруг, что тут еще придумывать и изобретать.
Но затем появились физики со своими теориями и начали постепенно увеличивать количество элементов, из которых состоит наша Вселенная. Так люди узнали, что вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов. А в конце 19 века наш великий химик Дмитрий Менделеев упорядочил все известные атомы в своей таблице, в которой насчитывалось 118 элементов.
На этом бы и остановиться, и тогда и голова ни у кого бы не болела, но ученых было уже не остановить. В 1932 году они докопались и до строения атома. Оказалось, что внутри него есть электроны, протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны плотно сбиты в ядро, а электроны, которые в тысячи раз легче протонов и нейтронов, летают себе вокруг них на околосветовых скоростях.
Ну ладно, это еще можно пережить. Вроде бы ничего сложного. И даже можно простить Планку, Бору, Шредингеру и Гейзенбергу придуманную ими новую науку - квантовую механику, которая вроде как объясняет движение этих субатомных частиц и все такое. Дело нужное, не помешает.
Но физики-теоретики все никак не могли успокоиться. Все задавали и задавали свои въедливые вопросы. А из чего же все-таки все это сделано? А как это все держится вместе? Ведь положительно заряженные протоны в ядре по логике должны разбежаться друг от друга? И никакие нейтральные нейтроны не удержат их вместе. Ну и так далее.
Так что три частицы - это как-то маловато для объяснения всего происходящего. И уже новые адепты "теории всего" приступали к своим научным изысканиям, пытаясь понять, как же на самом деле устроена Вселенная.
Вскоре выяснилось, что элементов на самом деле не три, а четыре, если учесть описанный Эйнштейном фотон. Затем открыли позитрон (электрон с положительным зарядом). Затем пион, который удерживает ядро. Затем какой-то еще мюон (если произнести это слово более 100 раз, можно увеличить размер губ) - тот же электрон, только тяжелее его в разы.
В общем, физики осознали, что открыли ящик Пандоры. Частицы сыпались, как из рога изобилия. И к 1960-м годам этих фундаментальных частиц были уже сотни. Сюда добавились еще различные барионы, мезоны, лептоны и кварки.
- И что со всем этим хаосом нам теперь делать? - вероятно спросил на какой-то вечеринке один из физиков своих коллег.
- А давайте это все объединим в одну модель, назовем ее Стандартной, а будущие поколения пусть сами в ней ковыряются и разбираются.
- Ха-ха-ха, хи-хи-хи, хо-хо-хо, а давайте!
Итак, на свет появилась некая стандартная модель Вселенной, требующая еще дальнейшей тщательной проработки и подтверждений. Эта трясина, в которой на долгие годы погрязли новые поколения молодых ученых и которым предстоял сложный путь по приведению всего этого хаоса в какой-то порядок.
Согласно стандартной модели все элементарные частицы можно поделить на две группы:
- фермионы - из них состоит вся материя
- бозоны - передают различные виды взаимодействия между фермионами
Люди, особо не интересующиеся физикой элементарных частиц, наверное даже и не задаются таким вопросом - а на каком клею собственно мы все склеены? За счет чего существует материя и не распадается на кусочки?
А это как раз то, что собственно и хотели понять физики за долгие годы своего ковыряния в молекулах и атомах. И вот выяснилось, что фермионы (то есть по сути вся материя, включая нас с вами) без бозонов так и остались бы элементарными частицами, растворенными по всей Вселенной.
Но, благодаря бозонам, фермионы передают друг другу один из видов взаимодействия и соответственно могут притягиваться, отталкиваться, склеиваться, обличаться в разные формы и т.д.
Существующие виды взаимодействий во Вселенной:
- Электромагнитное. Главные здесь - фотоны. Это безмассовые частицы, с помощью которых передается свет.
- Сильное ядерное. Здесь рулят глюоны. Благодаря им, кварки ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
- Слабое ядерное. Это царство бозонов W и Z. Благодаря им, фермионы перекидываются массой, энергией и могут превращаться друг в друга.
- Гравитационное. Гравитон - этот квантик гравитации, который определяет силу гравитационного взаимодействия, является пока гипотетической частицей. Его еще не нашли. Да и вообще гравитация практически не оказывает влияния на элементарные частицы, поэтому она по сути даже не является частью Стандартной модели.
Вот как наглядно выглядит Стандартная модель элементарных частиц:
Здесь мы видим лептоны и кварки, которые являются фемионами и из которых состоит материя, а также бозоны, которые передают взаимодействия фемионам. То есть между частицами происходит обмен этими самыми бозонами и таким образом они взаимодействуют.
Например, возьмем два электрона. Как известно, они отталкиваются друг от друга. А почему? Потому что они обмениваются (перекидываются) фотонами. Или два протона в ядре. Они притягиваются, обмениваясь глюонами. Вот такой механизм.
Итак, согласно стандартной модели наш мир состоит из:
- 12 частиц материи (6 кварков и 6 лептонов)
- четырех частиц взаимодействия
- четырех сил
Из кварков получаются протоны и нейтроны, а к лептонам относятся электроны и нейтрино. И вроде как кварки и лептоны являются уже неделимыми частицами. Но это не точно 🙂
Надо сказать, что несмотря на всю критику и запутанность, стандартная модель - это все-таки довольно разумная теория. И благодаря ей физики смогли предугадать существование многих еще не открытых на тот момент частиц.
Но в математических расчетах вдруг возникла одна проблема. Согласно полученным расчетам, у переносчиков взаимодействий масса отсутствует. Но когда проводились эксперименты, то выявлялось, что масса у них есть. Так откуда же она берется?
Чтобы разрешить это противоречие, британский ученый (правильный британский ученый) Питер Хиггс в 60-х годах разработал свою теорию, которая сделала его известным на весь мир. Эта теория описывает то, каким образом частицы получают свою массу.
Теория гласит, что есть некое поле (поле Хиггса), которое пронизывает всю Вселенную. Частицы проходят через это поле и, взаимодействуя с ним, приобретают массу. Но "вязнут" в этом поле не все частицы. Некоторые проходят через это поле свободно и таким образом массу не приобретают.
Также было предположено, что это поле имеет свои частицы, которые собственно и взаимодействуют с пролетающими в нем другими частицами. Эта частица поля Хиггса, как вы догадались, называется бозон Хиггса. Именно он отвечает за наделение других частиц массой. Благодаря ему, частицы будто тормозятся, становясь инертными. Таким образом у них появляется масса.
Есть очень наглядный пример с пенопластовыми шариками. Если такие шарики положить на гладкую поверхность, то дуновением ветра они разлетятся. Но если эти же шарики положить на водную поверхность, то сместить их уже будет сложнее. Увязнув в воде, они станут инертными.
И вот почти 50 лет ученые всего мира пытались экспериментально обнаружить этот самый бозон, чтобы вся Стандартная теория выстроилась в стройный ряд. Так как, если бы этого сделать не удалось, то всю эту теорию можно было бы считать самой большой ошибкой ученых. И вообще, можно сказать, что все дальнейшее развитие физики зависело от нахождения этой частицы.
Именно поэтому в поиски бозона вкладывались такие огромные средства, а в конце концов был построен большой адронный коллайдер.
Проблема его обнаружения оказалась действительно довольно сложной, так как бозон Хиггса очень нестабилен и за одну септилионную секунды распадается на более стабильные частицы. Поэтому, чтобы его найти, нужно было наблюдать триллионы атомных столкновений.
Но вот в 2012 году, спустя 50 лет после предсказания, на большом адронном коллайдере нашли новую частицу. Данный говорили о том, что с 99,99997% точности это тот самый бозон Хиггса.
Когда данные экспериментов подтвердились и было объявлено о долгожданном открытии, Питер Хиггс расплакался. Ведь изначально он не верил, что бозон смогут найти при его жизни. После этого, в возрасте 96 лет он получил Нобелевскую премию за свою теорию.
Без сомнения - это одно из величайших открытий науки. Но впереди еще много кропотливого труда, так как стандартная модель еще далека до совершенства. И ее еще нельзя назвать теорией всего - теорией, которая описывает абсолютно все процессы во Вселенной, и которую так сильно хотят создать ученые. Так что впереди нас ждет еще немало великих открытий.
Давайте поставим лайк этому бозону, благодаря которому мы все с вами наделены массой 👍 Подписывайтесь на канал. Впереди много интересного!