Standardmudel. Milline rumal nimi inimkonnale teadaolevalt kõige täpsema teadusteooria jaoks. Enam kui veerand eelmise sajandi Nobeli füüsikaauhindadest anti teostele, mis olid kas otseselt või kaudselt seotud standardmudeliga. Tema nimi on muidugi selline, kui saate osta parendust paarisaja rubla eest. Iga teoreetiline füüsik eelistaks "hämmastavat teooriat peaaegu kõige kohta", mis see tegelikult on.
Paljud mäletavad põnevust teadlaste seas ja meedias seoses Higgsi bosoni avastamisega 2012. aastal. Kuid selle avastus ei tulnud üllatusena ega tulnud kuskilt välja - see tähistas standardmudeli võidukäigu 50. aastapäeva. See hõlmab kõiki põhilisi jõude, välja arvatud gravitatsioon. Kõik katsed seda ümber lükata ja laboris näidata, et see on vaja täielikult ümber teha - ja neid oli palju - ebaõnnestusid.
Lühidalt, standardmudel vastab sellele küsimusele: millest kõik koosneb ja kuidas kõik kokku sobib?
Väikseimad ehitusplokid
Füüsikud armastavad lihtsaid asju. Nad tahavad kõik oma tuumani purustada, et leida kõige elementaarsemad ehitusplokid. Sadade keemiliste elementide juuresolekul pole seda nii lihtne teha. Meie esivanemad uskusid, et kõik koosneb viiest elemendist - maa, vesi, tuli, õhk ja eeter. Viis on palju lihtsam kui sada kaheksateist. Ja ka vale. Kindlasti teate, et maailm meie ümber on valmistatud molekulidest ja molekulid on valmistatud aatomitest. Keemik Dmitri Mendelejev mõtles selle välja 1860. aastatel ja esitas aatomid elementide tabelis, mida täna koolis õpitakse. Kuid neid keemilisi elemente on 118. Antimon, arseen, alumiinium, seleen … ja veel 114.
1932. aastal teadsid teadlased, et kõik need aatomid koosnevad ainult kolmest osakesest - neutronitest, prootonitest ja elektronidest. Neutronid ja prootonid on tuumas üksteisega tihedalt seotud. Neist tuhandeid kordi kergemad elektronid tiirlevad tuuma ümber valgusele lähedase kiirusega. Füüsikud Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg ja teised on selle liikumise selgitamiseks kasutusele võtnud uue teaduse - kvantmehaanika.
Oleks tore seal peatuda. Ainult kolm osakest. See on isegi lihtsam kui viis. Aga kuidas nad omavahel kinni jäävad? Negatiivselt laetud elektrone ja positiivselt laetud prootoneid hoiavad elektromagnetismi jõud koos. Kuid prootonid põrkuvad tuumas ja nende positiivsed laengud peaksid need eemale tõukama. Isegi neutraalsed neutronid ei aita.
Reklaamvideo:
Mis seob need prootonid ja neutronid omavahel? "Jumalik sekkumine"? Kuid isegi jumalikul olendil oleks raskusi kõigi universumis asuvate 1080 prootonite ja neutronite jälgimisega, neid tahtejõuga hoides.
Osakeste loomaaia laiendamine
Samal ajal keeldub loodus meeleheitlikult oma loomaaias ainult kolme osakese hoiustamisest. Isegi neli, sest peame arvestama footoniga, Einsteini kirjeldatud valguse osakesega. Neli muutus viieks, kui Anderson mõõtis positiivselt laetud elektronid - positronid -, mis tabasid Maa kosmosest. Viiest sai kuus, kui avastati poiss, mis hoiab tuuma tervikuna ja mida Yukawa ennustas.
Siis ilmus koon - 200 korda raskem kui elektron, aga muidu selle kaksik. Kell on juba seitse. Pole nii lihtne.
1960. aastateks oli sadu "fundamentaalseid" osakesi. Hästi korraldatud perioodilise tabeli asemel olid ainult pikad loendid barjaonidest (rasked osakesed nagu prootonid ja neutronid), mesonitest (nagu Yukawa pioonid) ja leptonitest (kerged osakesed nagu elektronid ja tabamatud neutriinod), ilma igasuguse korralduse või kujunduspõhimõteteta.
Ja selles kuristikus sündis standardmudel. Puudusid arusaamad. Archimedes ei hüpanud vannitoast välja, hüüdes: "Eureka!" Ei, selle asemel tegid mõned nutikad inimesed 1960-ndate aastate keskel olulisi oletusi, mis muutsid selle vaeva esiteks lihtsaks teooriaks ja seejärel viiekümneks aastaks eksperimentaalseks testimiseks ja teoreetiliseks arendamiseks.
Kvargid. Neil oli kuus võimalust, mida me nimetame maitseteks. Nagu lilled, lihtsalt mitte nii maitsvad lõhnad. Rooside, liiliate ja lavendli asemel tõusime üles ja alla, imelikud ja lummavad, armsad ja tõelised kvargid. 1964. aastal õpetasid Gell-Mann ja Zweig meile, kuidas segada kolme kvarki barooniks. Prooton on kaks kvarki üles ja üks allapoole; neutron - kaks alumist ja üks ülemine. Võtke üks kvark ja üks antikvarr - saate mesoni. Pojeng on üles- või allapoole jääv kvark, mis on seotud üles- või allapoole jääva antiigiga. Kõik küsimus, millega me tegeleme, koosneb üles- ja allapoole kvarkidest, antikvarkadest ja elektronidest.
Lihtsus. Mitte just lihtsus, sest kvarkide sidumine pole lihtne. Need seovad omavahel nii tihedalt, et te ei leia kunagi iseseisvalt ekslevat kvarki või antiiki. Selle ühenduse teooriat ja selles osalejaid, nimelt glüoone, nimetatakse kvantkromodünaamikaks. See on standardmudeli oluline osa, matemaatiliselt keeruline ja kohtades, mis matemaatika algõpetuse jaoks isegi lahendamatud. Füüsikud annavad kõik endast oleneva, et arvutusi teha, kuid mõnikord pole matemaatiline aparatuur piisavalt arenenud.
Veel üks standardmudeli aspekt on "leptoni mudel". See on Stephen Weinbergi 1967. aasta maamärkide pealkiri, mis ühendas kvantmehaanika oluliste teadmistega osakeste vastasmõju kohta ja korraldas need ühtseks teooriaks. Ta lülitas sisse elektromagnetismi, seostas seda "nõrga jõuga", mis põhjustab teatud radioaktiivseid lagunemisi, ja selgitas, et need on sama jõu erinevad ilmingud. Sellesse mudelisse lisati Higgsi mehhanism, mis andis põhiosakestele massi.
Sellest ajast alates on standardmudel ennustanud katsete tulemusi pärast tulemusi, sealhulgas mitme kvarki ja W- ja Z-bosoni variandi avastamist - raskeid osakesi, mis nõrkade koostoimete korral täidavad elektromagnetilisuses fotoniga sama rolli. Võimalus, et neutriinodel on mass, jäeti 1960. aastatel kahe silma vahele, kuid standardmudel kinnitas seda 1990ndatel, mitu aastakümmet hiljem.
Standardmudeli poolt kaua ennustatud ja kaua oodatud Higgsi bosoni avastamine 2012. aastal ei tulnud siiski üllatusena. Kuid see oli standardmudeli veel üks suur võit tumedate jõudude üle, mida osakeste füüsikud regulaarselt silmapiirilt ootavad. Füüsikutele ei meeldi, et standardmudel ei vasta nende ideedele lihtsate kohta, nad on mures selle matemaatilise ebajärjekindluse pärast ja nad otsivad ka võimalusi gravitatsiooni kaasamiseks võrrandisse. Ilmselt tähendab see erinevaid füüsika teooriaid, mis võivad olla pärast standardset mudelit. Nii tekkisid suurejoonelised ühendamisteooriad, supersümmeetria, tehnokoror ja keelteooria.
Kahjuks pole standardmudelist väljaspool olevad teooriad leidnud edukaid eksperimentaalseid tõendeid ega standardmudelis suuri vigu. Viiskümmend aastat hiljem on kõige tavalisem teooria kõige lähedasem tüüpmudel. Hämmastav teooria peaaegu kõige kohta.
Ilja Khel
