Стандартная модель: удивительная теория почти всего

28 Мая 2018 в 17:00, Илья Хель 12 531 просмотр 21

Стандартная модель. Что за дурацкое название для самой точной научной теории из всех известных человечеству. Более четверти нобелевских премий по физике прошлого века были присуждены работам, которые либо прямо, либо косвенно были связаны со Стандартной моделью. Название у нее, конечно, такое, будто за пару сотен рублей можно купить улучшение. Любой физик-теоретик предпочел бы «удивительную теорию почти всего», каковой она, собственно, и является.

Многие помнят волнение среди ученых и в СМИ, вызванное открытием бозона Хиггса в 2012 году. Но его открытие не стало сюрпризом и не возникло из ниоткуда — оно ознаменовало собой пятидесятилетие череды побед Стандартной модели. Она включает каждую фундаментальную силу, кроме гравитации. Любая попытка опровергнуть ее и продемонстрировать в лаборатории, что ее нужно полностью переработать, — а таких было много — терпела неудачу.

Короче говоря, Стандартная модель отвечает на этот вопрос: из чего все сделано и как все держится вместе?

Мельчайшие строительные блоки

Физики любят простые вещи. Они хотят раздробить все до самой сути, найти самые базовые строительные блоки. Проделать это при наличии сотни химических элементов не так-то просто. Наши предки считали, что все состоит из пяти элементов —  земли, воды, огня, воздуха и эфира. Пять намного проще ста восемнадцати. И также неверно. Вы, безусловно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Химик Дмитрий Менделеев выяснил это в 1860-х годах и представил атомы в таблице элементов, которую сегодня изучают в школе. Но этих химических элементов 118. Сурьма, мышьяк, алюминий, селен… и еще 114.

В 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоит из всего трех частиц — нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. Электроны, в тысячи раз легче их, кружат вокруг ядра на скорости, близкой к световой. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и другие представили новую науку — квантовую механику — для объяснения этого движения.


На этом было бы прекрасно остановиться. Всего три частицы. Это даже проще, чем пять. Но как они держатся вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны скрепляются вместе силами электромагнетизма. Но протоны сбиваются в ядре и их положительные заряды должны расталкивать их прочь. Не помогут даже нейтральные нейтроны.

Что связывает эти протоны и нейтроны вместе? «Божественное вмешательство»? Но даже божественному существу доставило бы проблем следить за каждым из 1080 протонов и нейтронов во Вселенной, удерживая их силой воли.

Расширяя зоопарк частиц

Между тем природа отчаянно отказывается хранить в своем зоопарке всего три частицы. Даже четыре, потому что нам нужно учесть фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Четыре превратились в пять, когда Андерсон измерил электроны с положительным зарядом — позитроны — которые бьют по Земле из внешнего космоса. Пять стали шестью, когда был обнаружен пион, удерживающий ядро в целом и предсказанный Юкавой.

Затем появился мюон — в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном его близнец. Это уже семь. Не так уж и просто.

К 1960-м годам были сотни «фундаментальных» частиц. Вместо хорошо организованной периодической таблицы были только длинные списки барионов (тяжелых частиц вроде протонов и нейтронов), мезонов (вроде пионов Юкавы) и лептонов (легких частиц, таких как электрон и неуловимые нейтрино), без какой-либо организации и принципов устройства.

И в этой пучине родилась Стандартная модель. Не было никакого озарения. Архимед не выпрыгнул из ванной с криком «Эврика!». Нет, вместо этого в середине 1960-х несколько умных людей выдвинули важные предположения, которые превратили эту трясину сперва в простую теорию, а затем в пятьдесят лет экспериментальной проверки и теоретической разработки.

Кварки. Они получили шесть вариантов, которые мы называем ароматами. Как у цветов, только не так вкусно пахнущие. Вместо роз, лилий и лаванды мы получили верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный кварки. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас смешивать три кварка, чтобы получать барион. Протон ­– это два верхних и один нижний кварк; нейтрон – два нижних и один верхний. Возьмите один кварк и один антикварк – получите мезон. Пион – это верхний или нижний кварк, связанный с верхним или нижним антикварком. Все вещество, с которым мы имеем дело, состоит из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.

Простота. Хоть и не совсем простота, потому что удерживать кварки связанными нелегко. Они соединяются между собой так плотно, что вы никогда не найдете кварка или антикварка, блуждающего самого по себе. Теория этой связи и частицы, которые принимают в ней участие, а именно глюоны, называется квантовой хромодинамикой. Это важная часть Стандартной модели, математически сложная, а местами даже нерешаемая для базовой математики. Физики делают все возможное, чтобы производить вычисления, но иногда математический аппарат оказывается недостаточно разработан.

Еще один аспект Стандартной модели – «модель лептонов». Это название важнейшей статьи 1967 года, написанной Стивеном Вайнбергом, которая объединила квантовую механику с важнейшими знаниями о том, как взаимодействуют частицы, и организовала их в единую теорию. Он включил электромагнетизм, связал его со «слабой силой», которая приводит к определенным радиоактивным распадам, и объяснил, что это разные проявления одной и той же силы. В эту модель был включен механизм Хиггса, дающий массу фундаментальным частицам.

С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты экспериментов за результатами, включая открытие нескольких разновидностей кварков и W- и Z-бозонов – тяжелых частиц, которые в слабых взаимодействиях выполняют ту же роль, что фотон в электромагнетизме. Вероятность того, что нейтрино обладают массой, упустили в 1960-х годах, но подтвердили Стандартной моделью в 1990-х годах, через несколько десятилетий.

Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанного Стандартной моделью и долгожданного, не стало, тем не менее, неожиданностью. Зато стало еще одной важной победой Стандартной модели над темными силами, которые физики частиц регулярно ждут на горизонте. Физикам не нравится, что Стандартная модель не соответствует их представлениям о простой, они обеспокоены ее математической непоследовательностью, а также ищут возможность включить гравитацию в уравнение. Очевидно, это выливается в разные теории физики, которая может быть после Стандартной модели. Так появились теории великого объединения, суперсимметрии, техноколор и теория струн.

К сожалению, теории за пределами Стандартной модели не нашли успешных экспериментальных подтверждений и серьезных брешей в Стандартной модели. Спустя пятьдесят лет именно Стандартная модель ближе всех к статусу теории всего. Удивительная теория почти всего.

Стандартная модель: удивительная теория почти всего

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

21 комментарий

  1. Kristik

    Полезная статья

  2. Plazmatron

    Кратенько и просто изложили основные положения (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. OSA

    Так и не понял элементарное, фундамент, почему их не бесконечное число частиц, если могут существовать бесконечномалые величины? Почему их размеры фексированы? Ну, а если есть планковские величины, то как во взаимодействиях трехмерная материя несет трехмерную энергию и взаимодействует на расстоянии? Трудно мне с квантовой физикой, безусловно я дурак...

    • Dopamine

      OSA, Дело в том, что вы плохо слушали физику за 10 класс. А возможно, ушли после девятого. И ещё нежелание сейчас восполнить данный пробел в знаниях. Это не дурость, а лень. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Vladimir8

      OSA, Ты не дурак, просто понятие "материя" и мерность пространства пока еще в зачаточном состоянии (в отношении квпнтовой природы). По сути мы описали только вершину айсберга а все что скрыто внутри атома т.е. "неделимого" не хочет с нашей стандартной моделью согласовываться. Планковское ограничение словно просится в теорию виртуальности вселенной. Очень хорошая была статья на ЯП. Попробую выложить.

    • morxod

      OSA, Мы невидем трехмерное изображения, это наши нейроны обрабатывают информацию с подсчётам и вычеслениями элементарных частиц. Стандартной модели элементарной частицы в принципе не может быть, так как и алгебраической сферы, все изменяется в сторону расширения, из атома до молекулы. Как вам легче строить дом, из кирпичиков или из скалы, вот так и было задумано.

  4. kirfoton

    Хочется здесь поговорить на такую тему : как работает сила, на примере электростатики. Мне на сайте вопросов и ответов otvet.mail.ru подсказали, что электрическая сила работает благодаря виртуальным фотонам - они есть переносчики электромагнитного взаимодействия. Я подумал, вот электрон и на некотором от него расстоянии протон. Они , конечно , притягиваются и сближаются. Но всё равно не понял как ? Вот, виртуальный фотон вылетел из протона, столкнулся с электроном и что, притяжение ? Но с какой это стати, ведь он передал импульс электрону в момент столкновения и электрон наоборот, должен отлететь. Короче, ничего не понял, как работает сила (особенно, в случае притяжения зарядов)... Может кто здесь понимает ?

    • PROVOCATOR

      kirfoton, Как работает никто вам не объяснит. Есть только гипотезы. А ещё есть законы основанные на наблюдениях. Для того чтобы докопаться до истины учёные стараются изменить условия проведения экспериментов для получения закономерностей в наиболее широком спектре обстоятельств. Далее, либо закон подтверждается для любых обстоятельств, либо на новой базе результатов наблюдений строится новая теория.
      При этом, доказать что-либо, что оно выполняется всегда, очень трудно. И поэтому законы используются гораздо раньше чем они доказаны.
      "Переносчики" сил - это как раз и есть те теоретические частички, призванные объяснить наличие взаимодействий. Их никто не видел. Но, имея понятие об их качнственных функциях, можно попытаться засечь эффект от их присутствия в других обстоятельствах. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  5. ilik54

    Строения нашего энергетического мироздания ещё проще. В основе всего энергетического мироздания лежит энергетическая лента Мебиуса, которая в силу своей конструктивной особенности является биполярной односторонней энергетической основой мироздания, от колебания, которой и зависят свойства материи, пространства и времени.
    Энергетическая лента Мебиуса в силу своей борьбы единства и противоположности, и в результате колебаний причинно-следственных связей является разумной энергетической основой всего сущего.
    Разум – это логичное действие причинно-следственных связей.
    Можно сказать, что это и есть Бог, всё остальное – это производное от её колебательного процесса, которое многоуровневое и фрактальное с широким диапазоном частот и амплитуд колебания.
    Вся эта энергетическая корпускулярно-волновая структура выглядит, как пирамида, на вершине, которой находится энергетическая лента Мебиуса.

  6. Aenigma

    Хорошая статья для человека, далёкого от физики элементарных частиц, но интересующегося наукой.
    Кстати, вскользь прозвучала мысль о том, что гравитацию не удаётся включить в модель. Думаю, это не случайно. Гравитация не является фундаментальной силой (можно выразиться, это квазивзаимодействие). Гравитация - побочный продукт других сил (возможно, электромагнитной). Упрощённо можно представить, что гравитация возникает вследствие экранирования эфирного давления между двух тел. Правда, нужно ещё аккуратно ввести в физику понятие эфира...

  7. morxod

    Квантовая механика уже обьяснила как работает гравитация, правда с^2 скоростях, через оператора D.Аламбера. На этом вся физика и заканчивается, спросите почему, Вселенному Разуму не угодно, воины на планете продолжаются. Знаю одно, кто покажет принцип работы гравитации, он будет посланником, через человека будут обьяснены работа вселенной, и это произойдёт очень скоро.

    • Aenigma

      morxod, Это, скорее, не объяснение, а лишь формальная математическая запись. Такое же формальное объяснение, впрочем, не раскрывающее сути явления, даётся и в рамках ОТО - через объявление гравитации искривлением пространства-времени.

    • Aenigma

      morxod, Кстати, такое объяснение гравитации (через эфир) может избавить нас от проблемы равенства инертной и тяжёлой масс. Действительно, при ускорении тела испытывают давление эфира, и оно же является причиной гравитации.

  8. ACTPOHABTKA

    ... "элементов, которУЮ"... Автор, "который" всегда относится к последнему слову. Вроде, статья научная, а выглядит, как дилетантский опус.

  9. ACTPOHABTKA

    Пф, "атомы состоит", всё, дальше читать не хочется.)

  10. nomad62

    Спасибо

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.